中心議題：

• 手機USB充電和過壓保護解決方案

解決方案：

• 針對性地進行設備熱模擬和溫度感應FET評估
• 將OVP驅動器與外部P-MOS配合使用

本文將重點結合手機側的要求來分析USB充電和過壓保護設計策略，以及相應的解決方案。

手機充電要求及不同充電電路解決方案比較

通常所稱的手機充電器實際上是交流/直流(AC-DC)電源適配器，真正的充電電路乃是在手機內部。根據YD/T 1591標準要求，手機充電接口直流輸入電壓也就是充電器的輸出電壓為5 V±5%，即範圍為4.75 V~5.25 V；標準充電器的充電電流為300 mA至1,800 mA
，非標準充電器(如筆記本電腦的USB端口等)的最大充電電流為500 mA。無論充電器的輸出功率如何，手持機側充電控製電路應能根據自身需求實施安全充電，不應出現過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現象。

在手機內部的充電電路方麵，業界有著不同的解決方案
，主要包括分立式充電IC、集成式充電IC、電源管理集成電路(PMIC，或稱電源管理單元，簡稱PMU)+外部充電功率元件等三種。這三種方案各有其特點。其中，對於分立式充電ICfanganeryan，youdianzaiyubianyuzengjiahuoxiugaigongneng，congergengyouliyushixianchanpinchayihua，ciwai，zhezhongfanganyouliyushixiankunnandedianlubanbuju，dadaokekedediancijianrongyaoqiu，yejuyougenghaodesanretexing。qiquedianzaiyushiyongdeyuanjianjiaoduo，chengbengao，huizengjiadianlubanzhanyongmianji，erzhehuigeidianlubankongjianmizuzhenguideshoujidengbianxieshebeishejidailaigengdatiaozhan。zhezhongfanganzhengzaizhubutaotaizhizhong。

對dui於yu集ji成cheng式shi充chong電dian方fang案an而er言yan

，它ta集ji成cheng了le大da量liang的de功gong能neng
，所suo需xu的de外wai圍wei器qi件jian非fei常chang少shao，易yi於yu實shi現xian小xiao尺chi寸cun的de外wai形xing因yin數shu
，利li於yu降jiang低di電dian路lu板ban布bu局ju的de複fu雜za性xing。包bao括kuo安an森sen美mei半ban導dao體ti在zai內nei的de眾zhong多duo廠chang商shang都dou支zhi持chi這zhe種zhong方fang案an。不bu過guo，由you於yu工gong藝yi和he功gong耗hao方fang麵mian的de原yuan因yin
，集ji成cheng式shi充chong電dian解jie決jue方fang案an對dui充chong電dian電dian流liu的de大da小xiao 會hui有you嚴yan格ge限xian製zhi。此ci外wai，集ji成cheng式shi方fang案an布bu局ju比bi較jiao麻ma煩fan，缺que乏fa靈ling活huo性xing，難nan以yi滿man足zu產chan品pin功gong能neng差cha異yi化hua要yao求qiu
，所suo集ji成cheng的de眾zhong多duo功gong能neng對dui有you些xie客ke戶hu來lai說shuo可ke能neng意yi味wei著zhe過guo多duo的de限xian製zhi。因yin此ci，這zhe種zhong方fang案an主zhu要yao適shi合he於yu對dui靈ling活huo性xing要yao求qiu不bu高gao的de高gao產chan量liang應ying用yong。

相比較前兩種方案而言
，“PMU/PMIC+充電功率元件”這zhe種zhong方fang案an處chu於yu主zhu流liu地di位wei。這zhe種zhong方fang案an綜zong合he了le集ji成cheng度du與yu靈ling活huo性xing的de優you勢shi，適shi用yong於yu必bi須xu支zhi持chi不bu同tong市shi場chang的de產chan品pin。基ji於yu這zhe種zhong理li念nian的de設she計ji不bu會hui占zhan用yong太tai多duo電dian路lu板ban空kong間jian
，但dan元yuan件jian的de位wei置zhi可ke以yi更geng靈ling活huo，且qie易yi於yu實shi現xian產chan品pin的de差cha異yi化hua。在zai這zhe種zhong方fang案an中zhong，外wai部bu充chong電dian功gong率lv元yuan件jian可ke以yi是shi場chang效xiao應ying管guan(FET)、雙FET、雙極型晶體管(BJT)和FETKY(MOSFET和肖特基二極管共同封裝在一起)等。這種解決方案的結構示意圖如圖2所示。

如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)
，在(zai)第(di)三(san)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，可(ke)以(yi)選(xuan)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)外(wai)部(bu)充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)元(yuan)件(jian)。那(na)麼(me)
，究(jiu)竟(jing)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)元(yuan)件(jian)更(geng)合(he)適(shi)呢(ne)？我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)來(lai)予(yu)以(yi)分(fen)析(xi)。

假定充電器(電源適配器)提供的最低電壓是4.75 V
，而電池電壓為4.3 V
，充電器電流為500 mA，而感測電阻為200 mΩ，PCB電阻為100 mΩ。這樣對手機充電電路而言，就在電源輸入和電池之間留出了0.45 V的電壓裕量。

 結合圖2和圖3(a)所示


，充電由PMU控製，MOSFET充當充電電流的傳輸元件。這裏計算一下通過這個充電電路中的兩個傳輸元件(MOSFET和肖特基二極管)的壓降。

Vdropout = 充電電流×Rds(on)+Vf = 0.5 A×Rds(on)+Vf

在最壞情況下，充電器電流為500 mA時


，壓降(Vdropout)概算為300 mV。也就是當充電器電流為500 mA時，典型的肖特基二極管的正向電壓(Vf)已經是400 mV，這就導致無法提供足夠的電壓裕量。而且隨著充電電流的增加
，肖特基二極管所促成的0.4 V極高壓降更會使其成為一個阻塞點。因此，在今後的解決方案中應該避免使用FETKY解決方案。
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而在另一方麵
，通過用具有低V CE(Sat)的晶體管或者具有低Rds(on)的MOSFET代替肖特基二極管
，可以降低傳輸元件上的壓降，從而符合所需要的有限電壓裕量要求。例如
，雙FET用作充電功率元件(如圖3(b)所示)就是一個更加合適的選擇。在這方麵，安森美半導體的NTLJD3115P和NTHD4102P就是非常適合的選擇。其中，NTLJD3115P是一款-20 V、-4.1 A
、μCool? 雙P溝道功率MOSFET，它采用2×2 mm的WDFN封裝，具有極低的導通阻抗
，其0.8 mm的高度也使其非常適合纖薄的應用環境；它針對便攜設備中的電池和負載管理應用進行了優化
，適合於鋰離子電池充電和保護電路應用及高端負載開關應用。而NTHD4102P是一款-20 V、-4.1 A雙P溝道ChipFETTM功率MOSFET，同樣具有較小的占位麵積和極低的導通阻抗，適合於纖薄的便攜應用環境。

具體而言，采用雙FET的有利因素包括：阻塞反向電流、允許反向給藍牙配件充電
，以及導通阻抗(Rds(on))較低。此外，對於MOSFET而言，由於它需要頻繁地進行開關操作
，所以其發熱成為一項問題，並且由此影響到它的使用壽命。而在采用雙FET的方案中，MOSFET器件所具備的熱感應等額外功能可以建立熱控製環路，支持快速高效的充電方案和熱保護。

而在用雙FET作為充電功率元件進行500 mA甚至1,800 mA的大電流充電時
，需要注意到許多設計考慮事項
，如器件溫度、溫wen度du的de計ji算suan過guo程cheng容rong易yi出chu錯cuo等deng。不bu過guo
，就jiu近jin的de節jie溫wen度du傳chuan感gan器qi可ke以yi改gai正zheng部bu分fen錯cuo誤wu，且qie準zhun確que的de溫wen度du調tiao節jie可ke以yi實shi現xian高gao效xiao的de充chong電dian解jie決jue方fang案an。此ci外wai
，還hai需xu要yao針zhen對dui性xing地di進jin行xing設she備bei熱re模mo擬ni和he溫wen度du感gan應yingFET評估等工作。

總的來看，在選擇 MOSFET 作為電池充電電路的充電功率元件時，我們應注意其電流額定值
、擊穿電壓、柵極閾值及熱性能等。我們可根據不同的 PMIC/PMU 和設計目標，采用不同的配置。

有效的過壓保護解決方案

根據YD/T 1591-2006標準，手機側充電控製電路應具備過壓保護裝置，也就是在手機充電接口導入直流6 V以上電壓時，如果不能保證安全充電，應啟動保護，在非預期電壓的情況下，不應出現過熱、燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現象，而且恢複後，手機應能正常工作。如圖4所示，過壓保護(OVP)電路在檢測到過壓故障狀況時，檢測電路就會將開關打開
，使電子負載與電源斷開，從而使得包括微處理器、射頻
、存儲器和電源管理器件等核心芯片遭受過壓損傷。

在zai為wei手shou機ji充chong電dian電dian路lu提ti供gong過guo壓ya保bao護hu方fang麵mian
，即ji有you分fen立li的de解jie決jue方fang案an，也ye有you集ji成cheng的de解jie決jue方fang案an。在zai分fen立li式shi解jie決jue方fang案an方fang麵mian
，其qi中zhong之zhi一yi就jiu是shi考kao慮lv到dao遠yuan高gao於yu6 V的電壓情形，如靜電放電(ESD)，其瞬間的應力電壓可能高達幾千伏甚至十幾千伏，這種情形下，可以施加瞬態電壓抑製器(TVS)二極管
，以此處理瞬變極快的過壓故障。在這方麵
，安森美半導體的TVS二極管就非常適用。例如，在擊穿電壓為6.2 V時，安森美半導體的ESD5Z5.0T1.G能在幾納秒時間內就對符合IEC61000-4-2標準的高達30 kV的輸入電壓進行鉗位，且鉗位電壓可高達11.6 V，從而為係統中的關鍵元件提供可靠的ESD保護。

 另一種分立型解決方案就是將OVP驅動器與外部P-MOS配合使用。安森美半導體的NCP346就是這樣一個適用的驅動電路，它能夠承受高達30 V的瞬態電壓。這器件設計用於感測過壓狀況，並快速地從負載斷開輸入的電壓，從而防止造成損傷。NCP346包含精確的電壓參考
、磁滯比較器、控製邏輯以及MOSFET門驅動器。搭配OVP驅動器與外部P-MOS時，其優點在於精度高、支持Enable引腳，且下遊係統可與AC-DC完全分離。但它也有其缺陷，如電流消耗高及解決方案尺寸較大等。

除了這些分立的解決方案，安森美半導體還推出了全集成的OVP解決方案。這也包括兩種解決方案，其中一種是針對插牆式AC-DC適配器充電為手機提供高達2 A的電流和高達28 V的故障瞬態電壓的保護，在這方麵
，安森美半導體的NCP348就是非常適合的選擇。NCP348支持的牆式適配器和USB充電電流和電壓可分別高達2 A和28 V。它支持Enable和Status /FLAG引腳，並支持6.02和6.4 V的不同過壓鎖定(OVLO)值。其它的優點包括下遊係統可與AC-DC完全隔離和精度高等。此外
，它采用極小的2×2.5 mm WDFN封裝，非常適合小巧的便攜應用。不過，這種方案也有其不足之處，也就是在500 μA電流的休眠模式下，不符合USB規範。這種情況下的解決之道就是采用NCP360和NCP361過壓保護電路。NCP360是一款帶內置PMOS FET和狀態標記的USB正向過壓保護控製器，它能夠在檢測到錯誤的VBUS工作條件時從輸出引腳斷開係統連接。這器件能夠高達20 V的正向過壓保護。由於集成了內部PMOS FET
，無需外部元件
，從而降低了係統成本
，並減少了電路板占用麵積。此外
，在旁路設置一個1 μF或更大的電容時，這器件還能夠提供ESD保護輸入(15 kV空氣放電)。NCP361則(ze)是(shi)一(yi)款(kuan)正(zheng)向(xiang)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)和(he)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)控(kong)製(zhi)器(qi)。它(ta)不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)過(guo)壓(ya)閥(fa)值(zhi)時(shi)瞬(shun)時(shi)斷(duan)開(kai)輸(shu)出(chu)連(lian)接(jie)，而(er)且(qie)得(de)益(yi)於(yu)其(qi)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)能(neng)力(li)，其(qi)集(ji)成(cheng)的(de)PMOS將在充電電流超過電流限製時關閉。

另一種方案針對的就是通過USB端口(VUSB引腳)來充電。這種方案的充電電流為100 mA或500 mA

，休眠模式下的電流為500 μA(NCP360和NCP361)或100 μA(NCP348)。

對於過壓而言

，為了避免造成損傷，過壓保護器件的關斷時間必須盡可能地快。值得一指的是，無論是NCP360還是NCP348，與同類產品相比，其關斷時間都更短。以NCP348為例


，它最長需要5 μs的關斷時間，而在3 V/μs 條件下，一般隻需要 1.5 μs。而NCP360最長隻需要1.5 μs，一般隻需要0.8 μs。

總的來看，在為手機充電電路提供過壓保護方麵
，集成式OVP是最高效的解決方案，它不僅使得下遊係統可與AC-DC適配器完全隔離，而且PCB占用空間最小，並且提供多種功能
，如精度高、支持Enable和Status /FLAG引腳和提供過流保護等。此外，安森美半導體還可為牆式電源適配器與USB充電解決方案提供不同的專用元件，如NCP348、NCP360和NCP361等。

本文小結

本(ben)文(wen)重(zhong)點(dian)探(tan)討(tao)了(le)手(shou)機(ji)側(ce)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)的(de)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)及(ji)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。作(zuo)為(wei)全(quan)球(qiu)領(ling)先(xian)的(de)電(dian)源(yuan)半(ban)導(dao)體(ti)及(ji)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)供(gong)應(ying)商(shang)，安(an)森(sen)美(mei)半(ban)導(dao)體(ti)提(ti)供(gong)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)和(he)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，滿(man)足(zu)客(ke)戶(hu)的(de)不(bu)同(tong)需(xu)求(qiu)
，幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)更(geng)好(hao)地(di)開(kai)發(fa)符(fu)合(he)信(xin)產(chan)部(bu)要(yao)求(qiu)的(de)產(chan)品(pin)，並(bing)加(jia)快(kuai)上(shang)市(shi)進(jin)程(cheng)。