為帶USB接口的手機提供全方位保護和充電解決方案

作者：時間：2007-08-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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中國信息產(chǎn)業(yè)部(MII)去年11月發(fā)布了《移動通信手持機充電器及接口技術(shù)要求和測試方法》(YD/T1591-2006)。從2007年6月14日開始，所有在中國申請入網(wǎng)的新手機都將必須采用該規(guī)則中規(guī)定的新電池充電器接口標準。政府此舉是為了減少由于設(shè)備升級而引起冗余的電源適配器數(shù)量，從而降低廢棄電子裝置對環(huán)境產(chǎn)生的影響并減少自然資源的浪費。由于消費者將不需要為每部新購買的手持設(shè)備支付電源適配器的費用，因此最初的節(jié)省可能被轉(zhuǎn)移到消費者身上。期待舊的定制電池充電器將逐步被新的通用充電器所代替，這甚至可能為適配器制造商帶來新的業(yè)務(wù)機會。這是因為電池充電器不再配備用來適應(yīng)不同手機制造商的具有不同功率特性的特殊連接器。作為替代，充電器將配備一個標準的USB A類插頭，并且對輸出功率進行了調(diào)制以確保輸出功率可用于所有的新手機。符合新規(guī)則的電池充電器應(yīng)向MII的中國電信技術(shù)實驗室(CTTL)申請合格證。截止2007年5月31日，CTTL已經(jīng)向14家公司的15個手機充電器模型發(fā)布了證書，這14家公司大部分都是中國手機供應(yīng)商。對于擁有國際市場的非中國手機供應(yīng)商，其充電器將針對在不同國家或地區(qū)銷售的不同手機模型進行標準化，這將會耗用這些供應(yīng)商更多的時間進行更改。

USB充電器接口的電氣特性

新規(guī)則要求所有的手機都為電池充電和數(shù)據(jù)傳輸提供USB接口。但是，手機供應(yīng)商在決定手持設(shè)備本身的接口方面具有一定的靈活性。如果該接口不符合USB A類連接器標準，則務(wù)必提供帶USB連接的適配器電纜。使用這種USB接口時，不僅手機可以用通用充電器充電，也可以通過其它USB主機(如筆記本電腦)充電。對于在中國商務(wù)旅游的人士而言，這是一個驚喜，因為他們的行李箱重量可以稍微得到減輕了！

新規(guī)則對輸出電壓特性進行了定義。充電器的額定輸出電壓應(yīng)為5V，偏差為±5%。這意味著手機連接器端的輸入電壓應(yīng)保持在4.75V～5.25V之間。此外，手機的最大輸入電流應(yīng)限定為1.8A。目前，鋰離子或鋰聚合體電池組的額定值保持在900mAh左右，因此要求充電電流低于1A。但是，設(shè)置一個1.8A的較高輸入電流限制為以后的發(fā)展留出了空間。由于在可預(yù)見的將來充電電流有望增加，將需要具有更高容量的新電池組以支持新3G手機的高功耗多媒體功能。如上文所述，USB主機可以連接至手機上的USB接口進行電池充電或數(shù)據(jù)傳輸。手機是如何區(qū)分USB端口與電源適配器，并且是如何選擇正確的輸入電流限制的呢？該規(guī)則要求電源適配器同時配備D+和D-線路，并短接在充電器內(nèi)部。當(dāng)數(shù)據(jù)線未短路時，手機將識別出源是USB端口，因此會將輸入電流限制為最高值500mA以符合USB標準。

手機內(nèi)部充電電路的要求

雖然我們通常稱電源適配器為“充電器”，但實際上充電電路在手機內(nèi)部。假定適配器提供的最低電壓為4.75V，鋰電池的最高電壓為4.2V。這就在電源輸入(Vin)和電池之間留出了0.55V的電壓裕量。

圖1：手機中的電源管理單元控制的典型充電電路。

如圖1所示，充電由終端的PMU(電源管理單元)控制，MOSFET充當(dāng)充電電流的傳輸元件。MOSFET和電池之間連接了一個肖特基二極管，以便切斷關(guān)斷時通過MOSFET內(nèi)部體二極管的反向漏電流通路。這里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)+Vforward=1A×Rds(on)+Vf

假設(shè)Vf的典型值為0.35V，并且Vdropout低于0.5V(目的是保持在0.55V的電壓裕量內(nèi))，我們需要一個R_ds(on)小于150mΩ的MOSFET(也就是說要求MOSFET的壓降必須小于0.15V)。

我們可以觀察到，肖特基二極管促成了0.35V的極高壓降。隨著充電電流的增加，這很快會成為一個阻塞點。通過用具有低V_CE(Sat)的晶體管或者具有低R_ds(on)的MOSFET代替肖特基二極管，從而符合USB充電器標準規(guī)定的有限電壓裕量，可以降低傳輸元件上的壓降。一些傳輸元件解決方案如圖2所示。

圖2：NSS12600CF8T1G是一個具有低V_CE(Sat)(0.1V)的晶體管，可以用作充電電路中的傳輸元件。

除了方便之外，標準化充電器接口還意味著任何帶有USB插頭的電源都可以連接至新的手機，無論其輸出功率是多少。由于USB插頭已經(jīng)變成公共接口，因此它不僅限于用在手機中，而且還可以用于其它便攜式電子產(chǎn)品，如便攜式DVD。在這種情況下，適配器輸出電壓將是12V，而不是5V。即使電源適配器被設(shè)計成輸出電壓為5V，如果它的調(diào)制設(shè)計不當(dāng)，那么電源適配器可能輸出偏差高于規(guī)定的5%的電壓。為了保護這些過壓狀態(tài)下的便攜式終端，MII強制移動手持設(shè)備將輸入過壓限制整合在充電控制電路中。只要充電器的輸入電壓超過6V，過壓保護電路就會被激活，從而將故障電源與手持設(shè)備中的其余電路隔離。

過壓保護IC

過壓保護(OVP)IC是一個可以在28V這樣的極高電壓下工作而不會毀壞的集成電路。它包含一個電壓檢測器和一個內(nèi)部驅(qū)動器電路，以控制作為開關(guān)的MOSFET，從而在輸入電壓高于過壓檢測閾值(這個閾值電壓有時被稱為過壓閉塞或OVLO)時使電源與系統(tǒng)隔離。NCP347MTAE就是一個OVP電路，專用于保護USB充電器的便攜式終端。該電路具有內(nèi)置50ms啟動延遲，在此延遲期間內(nèi)部開關(guān)保持打開狀態(tài)，以便不會有高電平瞬態(tài)電壓傳輸?shù)较到y(tǒng)中。在工作期間，MOSFET將被導(dǎo)通，當(dāng)檢測到故障狀態(tài)時，它可以在1.5?s (典型值)內(nèi)被觸發(fā)至關(guān)斷狀態(tài)。為USB充電器選擇OVP IC時，應(yīng)確保OVLO最大值低于直接連接至電源的IC的“最高絕對工作電壓”。為了滿足MII的USB充電器要求，適合的OVLO值應(yīng)低于6V。如上所述，由于高充電電流和有限的電壓裕量，傳輸元件(MOSFET)的R_ds(on)應(yīng)保持盡可能低。在NCP347中，集成的N溝道MOS開關(guān)的典型Ron僅為典型值65mΩ。這個值是市場中同類產(chǎn)品中最低的。

圖3：采用兩個具有低R_ds(on)的MOSFET作為傳輸元件。NTHD4102P是一個典型R_ds(on)值為64mΩ的雙P溝道MOSFET，因此充電電流為1A時僅產(chǎn)生0.13V的壓降。

帶連接至處理器的接口的OVP IC可實現(xiàn)更加智能的保護方案。假定Flag引腳報告故障狀態(tài)，Enable引腳通過編程將處理器設(shè)定為檢測到連續(xù)的故障狀態(tài)時明確地禁止NCP347。否則，當(dāng)故障狀態(tài)被消除時，OVP應(yīng)自動地再次導(dǎo)通。最后，其2.5x2.5x0.55mm的超薄封裝應(yīng)適合任何小型便攜式設(shè)計。這種保護電路將確保手機通過CTTL要求的60分鐘的過壓測試條件。

本文小結(jié)

MII已經(jīng)出臺了新的電池充電器接口標準，因此我們期望所有將在中國市場發(fā)布的新手機都配備USB連接器，以連接至標準化電池充電器。這一舉措將潛在地使每年在中國與新手機一起銷售的冗余電池充電器減少1億個。這個新標準將節(jié)省總體手機材料成本并降低廢棄電子裝置所造成的環(huán)境污染。由于在咖啡店或賓館這樣的公共場所非常容易找到兼容的充電器，因此新的標準將給終端用戶帶來更多便利。用戶還可以利用筆記本電腦等其它USB主機來對手機電池進行充電。假定輸出電壓由USB充電器提供，則將給充電器輸入和電池之間留出極低的電壓裕量。應(yīng)選擇具有最低R_ds(on)的傳輸元件，以降低高電流充電期間的壓降。雙MOSFET和具有低V_CE(Sat)的晶體管都是這種充電解決方案的合適解決方案。標準接口還帶來了將非標準充電器連接至手持設(shè)備的風(fēng)險。因此MII要求手機供應(yīng)商在手機中加入一個過壓保護電路。OVP IC是新型保持電路，可為手機提供全方位的保護解決方案。該電路可以在數(shù)微秒內(nèi)非常迅速地觸發(fā)，從而使浪涌電壓與手機系統(tǒng)隔離。