手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的問題及解決措施

　引言

　　目前市場上有多種類型的適配器可為鋰離子電池充電并為手機(jī)系統(tǒng)提供電源，同時由于中國實(shí)施了統(tǒng)一的手機(jī)充電接口，只要相容的USB接口的連接線都可以為手機(jī)充電，這樣設(shè)計(jì)人員將無從得知消費(fèi)者究竟使用何種適配器為手機(jī)充電，而這些適配器的電氣規(guī)格會因?yàn)橹圃焐痰牟煌鳟?，同時由于半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，手機(jī)平臺的主頻和集成度越來越高，芯片面積越來越小，但平臺芯片的耐壓也隨之降低，這些都為設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，要求設(shè)計(jì)人員必須設(shè)計(jì)出一個針對不同手機(jī)平臺在使用不同適配器的情況下均能滿足安全性和可靠性要求的手機(jī)充電系統(tǒng)。本文首先討論手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的一些主要問題，然后針對這些問題提出了對應(yīng)的措施，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

　　手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的主要問題及應(yīng)對措施

　　手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的主要問題有輸入過壓、如何兼容諾基亞適配器、不同要求的手機(jī)充電系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)以及手機(jī)充電系統(tǒng)外圍器件的布局及PCB布線考慮等。

　　輸入過壓及過壓保護(hù)

　　導(dǎo)致輸入過壓的原因有很多，如使用非穩(wěn)壓的或者不正確的適配器，某些國家的電網(wǎng)不穩(wěn)導(dǎo)致適配器的輸出電壓隨市電電壓變化、適配器熱插拔或負(fù)載瞬態(tài)變化時引起的瞬態(tài)過壓等。使用非穩(wěn)壓的或者不正確的適配器和適配器熱插拔時的瞬態(tài)是引起輸入過壓最常見的情況。

　　目前市場上常見的適配器根據(jù)特性可劃分為兩種：穩(wěn)壓適配器和非穩(wěn)壓適配器。穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過內(nèi)部電路提供非常優(yōu)秀的線性調(diào)整率(Line Regulation)和負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation)，而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓取決于負(fù)載。圖1為典型的非穩(wěn)壓適配器和穩(wěn)壓適配器的輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系曲線圖。

　　圖1: 穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓適配器的負(fù)載曲線圖。

　　而在適配器熱插拔時，也會出現(xiàn)瞬態(tài)的過壓電壓，由于適配器連接線的寄生電感效應(yīng)，熱插拔時會產(chǎn)生瞬態(tài)的輸出振蕩波形，經(jīng)過一段時間的衰減后會穩(wěn)定在DC值。圖2為5.5V適配器熱插拔時的瞬態(tài)波形，通常適配器熱插拔時產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓峰值電壓是其DC值的兩倍左右。

　　圖2： 直流輸出為5.5V的AC適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓波形。

　　隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，手機(jī)平臺的集成度和主頻越來越高，芯片面積越來越小，隨之帶來的問題是平臺芯片的耐壓也隨之降低。早期平臺的耐壓比較高，非穩(wěn)壓適配器的空載輸出電壓或者適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓手機(jī)平臺是可以承受的。而采用先進(jìn)工藝制程的手機(jī)平臺由于集成度高，耐壓低，前面所述的電壓直接加到手機(jī)平臺芯片上就有可能會引起芯片的損傷，所以采用先進(jìn)工藝制程的手機(jī)平臺就要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)用時需要在適配器和手機(jī)平臺對應(yīng)的充電模塊之間增加一個輸入過壓保護(hù)(OVP)芯片，防止適配器輸出的過高電壓對手機(jī)平臺芯片產(chǎn)生損傷。例如MTK的早期手機(jī)平臺MT6305/5318、展訊的SC6600L的充電引腳最高可承受電壓為15V，高通的QSC6240/6270的充電引腳最高可承受電壓為18V，均不要求增加OVP芯片，而MTK的MT6223/6235/6238/6253由于充電引腳最高可承受電壓只有9V，所以就要求增加OVP芯片，以防止適配器的過高輸出電壓對手機(jī)平臺芯片產(chǎn)生損傷。

　　對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要和早期的幾個手機(jī)平臺芯片的耐壓相同就可以了，因?yàn)樵缙诘氖謾C(jī)平臺芯片已經(jīng)大批量出貨，在市場的長期應(yīng)用驗(yàn)證了其耐壓的安全性和可靠性，所以對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要在15V以上就已經(jīng)足夠了。

　　出于充電時的安全考慮，手機(jī)平臺一般會限制充電電壓在7V以下，適配器輸出電壓高于7V若直接接到手機(jī)充電模塊是不允許充電的，另外由于國內(nèi)統(tǒng)一的充電接口標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，適配器的DC輸出電壓大多集中在5～6V，針對國內(nèi)適配器的特點(diǎn)，OVP芯片主要是為了避免適配器熱插拔時的瞬態(tài)過沖對手機(jī)平臺芯片的累計(jì)性損傷。

　　圖3： 適用于國內(nèi)適配器的單芯片手機(jī)充電系統(tǒng)方案 。

　　而上海艾為的AW3206就是一款能滿足國內(nèi)手機(jī)充電系統(tǒng)要求的OVP芯片。AW3206的OVP保護(hù)電壓為6.8V，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國內(nèi)手機(jī)充電系統(tǒng)。對于熱插拔的瞬態(tài)過壓，AW3206的100ns過壓保護(hù)反應(yīng)時間能確保手機(jī)充電系統(tǒng)的安全。AW3206高達(dá)±8KV(HBM)的ESD保護(hù)和±450mA的Latch-up保護(hù)都是增加手機(jī)充電系統(tǒng)的安全性和可靠性的有力基礎(chǔ)。