手機(jī)USB充電所面臨的綠色挑戰(zhàn)

一個(gè)手機(jī)用戶(hù)一年會(huì)產(chǎn)生約17公斤的二氧化碳，相當(dāng)于汽車(chē)行駛111公里。這個(gè)數(shù)字不是很大，在保護(hù)環(huán)境方面似乎不是優(yōu)先考慮的對(duì)象。然而，如果換一個(gè)角度看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，去年全球手機(jī)出貨量達(dá)12億部，每一部手機(jī)都有自己專(zhuān)用的充電器。在這12億部手機(jī)中，估計(jì)有5億部是替代性手機(jī)。拿到一部新手機(jī)通常都會(huì)讓人興奮不已，但人們對(duì)更換充電器顯然沒(méi)有任何興趣。當(dāng)你認(rèn)識(shí)到手機(jī)更新?lián)Q代的周期平均是18個(gè)月，而大多數(shù)手機(jī)都有專(zhuān)用充電器(包括同一個(gè)牌子的手機(jī))，那么對(duì)家里冒出3到4個(gè)沒(méi)用的手機(jī)充電器就不會(huì)感到奇怪了。事實(shí)上，以前的充電器適用于新手機(jī)的概率只有10%左右。

這也是我們開(kāi)始看到政府和機(jī)構(gòu)以及手機(jī)產(chǎn)業(yè)中的著名企業(yè)成立專(zhuān)門(mén)組織來(lái)減少這種浪費(fèi)的原因了。

中國(guó)信產(chǎn)部在2006年12月頒布了一份新的標(biāo)準(zhǔn)，即YD/T 1591-2006，旨在標(biāo)準(zhǔn)化墻式充電器和連接電纜。在中國(guó)市場(chǎng)上發(fā)布的每部新手機(jī)都必須經(jīng)過(guò)認(rèn)證以符合這一標(biāo)準(zhǔn)要求。

2009年2月在巴塞羅納舉行的最近一次移動(dòng)世界大會(huì)上取得了另外一項(xiàng)重大進(jìn)展，即GSMA(包括5家全球最大的手機(jī)制造商)和17家手機(jī)運(yùn)營(yíng)商一致同意在2012年前提供使用微型USB連接器的通用充電解決方案(UCS)。

這一行動(dòng)將有望消除高達(dá)51,000噸無(wú)用的手機(jī)充電器。假設(shè)手機(jī)充電器的生產(chǎn)量每年會(huì)削減兩成，那么這個(gè)產(chǎn)業(yè)每年有望減少1,300～22,00萬(wàn)噸的溫室效應(yīng)氣體。

除了對(duì)生態(tài)有明顯影響外，當(dāng)你周末與家人一起出去度假時(shí)你就不再需要攜帶兩三個(gè)充電器了，你完全可以找某個(gè)人借一個(gè)充電器給你的手機(jī)充電。

標(biāo)準(zhǔn)化

然而，為了使UCS取得成功，對(duì)手機(jī)制造商的第一個(gè)要求是其對(duì)通過(guò)USB對(duì)電池充電的標(biāo)準(zhǔn)表示贊同。于2007年8月8日頒布的電池充電規(guī)范1.0版本，規(guī)定了便攜式設(shè)備從USB專(zhuān)用充電器獲取電流的限制和檢測(cè)機(jī)制。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591-2006對(duì)在中國(guó)發(fā)布的手機(jī)也提出了同樣的要求。

手機(jī)需要檢測(cè)并判斷插入的是一個(gè)USB充電器還是另一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的終端(如計(jì)算機(jī)、其他手機(jī)等)。為了做到這一點(diǎn)，D+和D-在USB充電器內(nèi)被短路(通過(guò)一個(gè)必須小于200Ω的電阻RDCHGR_DAT)。如果有個(gè)設(shè)備通過(guò)USB端口連接到手機(jī)，D+線將被驅(qū)動(dòng)到VDAT_SRC電壓，吸收電流為IDAT_SRC。如果在D-線上檢測(cè)到一個(gè)特定電壓(取決于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC)，即意味著手機(jī)連到了USB充電器。

上述電池充電規(guī)范規(guī)定充電器最大輸出電流必須是1.5A，充電器最大輸出電壓必須是5.25V。中國(guó)的YD/T 1591-2006規(guī)定充電器最大輸出電流為1.8A。

主要挑戰(zhàn)在于保護(hù)

然而，主要挑戰(zhàn)還不是如今已有完善規(guī)定的電池充電標(biāo)準(zhǔn)，而是USB充電器的質(zhì)量。事實(shí)上，一部昂貴的智能手機(jī)可能被連接到一個(gè)質(zhì)量很差的USB充電器，比如沒(méi)有充電監(jiān)視、沒(méi)有保護(hù)、噪聲很大等等。如果手機(jī)被外部充電器弄壞用戶(hù)是不能接受的，而且可以肯定的是，如果某個(gè)品牌的手機(jī)很容易因充電而損壞，那么這個(gè)手機(jī)牌子給人的印象會(huì)大打折扣。

因此，由于手機(jī)制造商再無(wú)法控制墻式充電器的質(zhì)量，因此他們需要將保護(hù)電路直接安裝在終端內(nèi)部。保護(hù)手機(jī)要比保護(hù)充電器更具挑戰(zhàn)性，原因有兩個(gè)：

1. 由于已經(jīng)集成了數(shù)百項(xiàng)功能，手機(jī)的PCB尺寸大大減少。保護(hù)裝置的厚度必須適合超薄手機(jī)(總共才7mm厚)或翻蓋手機(jī)。

2. 保護(hù)裝置不能影響手機(jī)本身的性能，因此漏電流必須非常低。

為了選擇合適的保護(hù)器件，手機(jī)設(shè)計(jì)師必須對(duì)連接到USB端口的內(nèi)部充電電路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

第一個(gè)人們熟知的風(fēng)險(xiǎn)是靜電放電(ESD)。ESD可能在任何時(shí)間發(fā)生，無(wú)論手機(jī)是否在充電。用戶(hù)只要觸摸USB連接器，就可能向USB電路引入高達(dá)30kV的ESD浪涌電壓。很多設(shè)計(jì)師已經(jīng)知道，USB端口必須用能夠承受至少I(mǎi)EC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中4級(jí)浪涌電壓(8kV接觸放電)的器件進(jìn)行保護(hù)，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，這并不是新的風(fēng)險(xiǎn)。市場(chǎng)上大量的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管足以用來(lái)減輕這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。

F1: 發(fā)生器輸出端的短路電流波形(8/20μs)

然而，如果我們認(rèn)為不能依賴(lài)于USB充電器的質(zhì)量，那么第二個(gè)風(fēng)險(xiǎn)隨之而來(lái)：手機(jī)被直接連到室內(nèi)的輸電線，因此很容易受到這些輸電線上出現(xiàn)的任何浪涌電壓的侵襲。這是設(shè)計(jì)師需要考慮的新的因素。在室內(nèi)輸電線上出現(xiàn)的主要干擾源有：

1. 由于工業(yè)事件(附近的車(chē)間，工廠等)或外部中高壓電源線上的動(dòng)作(電源分配網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)關(guān)等)引起的浪涌電壓。

2. 由于閃電引起的浪涌電壓。

最危險(xiǎn)的是經(jīng)常發(fā)生的閃電浪涌。因?yàn)殚W電在輸電線上引起的浪涌電壓不只是在很少發(fā)生的房屋直接遭受雷擊時(shí)才會(huì)感應(yīng)到。事實(shí)上，每次閃電擊中電源線或僅僅擊中電源線附近的大地時(shí)，都會(huì)在(掩埋的)地線上產(chǎn)生增壓。這個(gè)波(電壓和電流)會(huì)通過(guò)電源線快速傳播，并穿過(guò)中心電站中的各個(gè)保護(hù)設(shè)備，甚至家庭的分電箱。然后，一個(gè)殘留的浪涌電壓會(huì)直接傳送到插著手機(jī)的電源插座上。

這個(gè)殘留浪涌電壓被表征為與雷擊波形相關(guān)的尖峰di/dt。大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)量已經(jīng)將這樣的浪涌電流模型化為下面的波形，在IEC61000-4-5中被定義為8/20μs脈沖。

在電流峰值的10%和90%之間的電流上升時(shí)間被規(guī)定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。

對(duì)設(shè)計(jì)使用低電壓和低電流工作的電子設(shè)備來(lái)說(shuō)這種過(guò)電流確實(shí)非常危險(xiǎn)。一個(gè)好的保護(hù)裝置必須能夠通過(guò)地(GND)吸收掉這個(gè)過(guò)電流，并保持一個(gè)低的箝位電壓，從而保護(hù)充電電路不受損壞。

這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強(qiáng)大，對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一個(gè)更艱巨的挑戰(zhàn)。

在法國(guó)(55萬(wàn)平方公里)，每年有100萬(wàn)次雷擊擊中大地!因此這種現(xiàn)象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內(nèi)擊中房屋周?chē)鷰坠飪?nèi)的一棵樹(shù)或地面的概率接近100%。

家用電器不太容易遭受這些浪涌的侵害，但電子設(shè)備卻很容易。計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等家電在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了要插入輸電線，因此都有完善的保護(hù)。其他便攜式設(shè)備則采用帶有合適保護(hù)裝置的專(zhuān)用充電器，或通過(guò)可拆裝電池供電。但是，如果一個(gè)通用充電器出于成本原因不能有效防止這種浪涌電壓，那么手機(jī)就很容易在充電時(shí)受損。

由于工業(yè)事件或中高壓電源線上的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而引起的浪涌電壓，也可以模型化為8/20μs波形，但峰值電流會(huì)低一些。它們發(fā)生的概率也是很高的。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是保護(hù)器件上的功耗。能夠保護(hù)設(shè)備免受8/20μs之類(lèi)浪涌電壓傷害的TVS二極管到處都有，但它們的漏電流可能高達(dá)20μA。通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)單的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)擁有1,000mAh的電池和400小時(shí)待機(jī)時(shí)間的手機(jī)來(lái)說(shuō)，在偏置線上增加這樣一個(gè)器件將使待機(jī)時(shí)間縮短大約1%!

解決方案建議

設(shè)計(jì)師要在保護(hù)器件微型化、浪涌電壓下的效率，以及功耗之間做出艱難的權(quán)衡。

圖2是手機(jī)的一個(gè)典型拓?fù)淅?，它在上述三個(gè)參數(shù)之間提供了可接受的折衷方案：

F2：USB的VBUS線采用的保護(hù)拓?fù)淅?

TVS二極管連接在充電器IC和USB連接器之間。TVS二極管越靠近連接器，ESD性能就越好。事實(shí)上，由造成電壓增加(V=Ldi/dt)的PCB金屬走線引起的ESD事件和保護(hù)電路之間的寄生電感也能被最小化。這種二極管可以