USB電源適配器的電路保護方案

隨著(zhù)當今社會(huì )人們手中的手機、平板電腦等智能手持設備功能的不斷升級強大，娛樂(lè )和個(gè)性化的應用也使得設備的電池的續航能力成為其中的一個(gè)死角?，F實(shí)生活中我們可能經(jīng)常會(huì )看到我們周邊的朋友隨身帶個(gè)移動(dòng)電源，沒(méi)有隨身電源就只能隨時(shí)找地方對設備充電了。因此電源適配器作為標配產(chǎn)品一直成了人們的必需品。

　　從蘋(píng)果手機的USB電源適配等為代表的小型化適配器越來(lái)越受人親睞，越來(lái)越多的電路元器件的SMD小型化封裝讓以往常見(jiàn)的電源充電器能夠做到更加的小巧玲瓏，集美觀(guān)與便攜于一體。 本文從內部電路重要的安規器件——保險絲的應用角度，說(shuō)明AEM科技推出的創(chuàng )新型SMD 250VAC FUSE——MF2410系列 適應潮流，如何布局在這類(lèi)小尺寸AC/DC電源適配器 上的交流應用，并如何做到我們倡導的“該斷時(shí)及時(shí)斷，不該斷是不能斷，時(shí)時(shí)保障安全!”的要求呢。

　　作為一款UMF通用模塊型保險絲，必須讓工程師在設計初考慮滿(mǎn)足下述要求。

　　一、結構上最大限度滿(mǎn)足小尺寸電源適配器對器件的小體積要求

　　以USB power Adapter為例，在這個(gè)層面上，結構限制了內部元件的體積，例如硬幣大小的PCB面積也讓SMD元件成了工程師的首選。

　　圖1 整體設計的PCB面積均如硬幣大小，可以讓外觀(guān)做到迷你型。

　　作為安規元件的保險絲，MF2410通用模塊保險絲滿(mǎn)足了上面的小體積和SMD工藝的需求。相對于傳統保險絲的尺寸，MF的體積小優(yōu)勢十分明顯。

　　我們來(lái)看看市面上常用的幾種保險絲尺寸大小比例：

　　表1 常見(jiàn)保險絲尺寸比較

　　圖2 可以看出MF 通用模塊保險絲最大限度滿(mǎn)足對體積的要求。

　　二、適合回流焊與波峰焊的SMT工藝

　　從生產(chǎn)工藝上講，AEM 的MF保險絲材料與結構獨具特點(diǎn)，這種SMT生產(chǎn)工藝不單省卻了不少人工與輔材成本，根據我們對采用SMD fuse的客戶(hù)原因調查，插件的引腳彎折加工導致fuse本體壞也是其中一種原因?！　∑浯?，由于電源電路插件的元件必不可少，因此生產(chǎn)工廠(chǎng)有采用波峰焊焊接的方式，保險絲需要承受波峰焊錫高溫，與業(yè)界其它SMD陶瓷保險絲相比，AEM 的UMF通用模塊式保險絲以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，電鍍通孔的連接方式使熔絲與端頭形成可靠的電連接和機械連接，不存在端頭焊接受熱脫帽現象，耐高溫的能力突出。

　　圖3 滿(mǎn)足波峰焊、回流焊或手工焊的焊接工藝

　　三、基于電源電路設計的應用

　　USB電源適配器電路屬于A(yíng)C/DC電源線(xiàn)路，典型的開(kāi)關(guān)電源組成如下：

　　開(kāi)關(guān)電源電路組成框圖

　　開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護電路、輸出過(guò)欠壓保護電路、輸出過(guò)流保護電路、輸出短路保護電路等.

　　1、常見(jiàn)輸入電路對保險絲的雷擊測試考量：

　　1.1、AC 輸入防雷電路工作原理：

　　雷擊測試時(shí)，由 MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進(jìn)行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流 過(guò)大，F1、F2、F3 會(huì )燒毀保護后級電路。當然在實(shí)際客戶(hù)應用中，基于成本考慮，大部分廠(chǎng)家對F2、F3只在嚴酷的環(huán)境中使用。典型電路單元如下：

　　1.2我們來(lái)計算差模雷擊對保險絲的要求：

　　>>電路若有阻抗(如MLV)，Peak值估計大約為理論值的60~70%;例如，典型的雷擊電流波形和參數如下：

　　根據IEC最新標準要求四個(gè)相位角度測試至少10次，計算：

　　對于差模500v, I2T= 0.5*(250A*70%)^2*30us=0.416 A2S.

　　由此估算：差模500V，需要保險絲的I2t至少0.46 A2S以上，MF2410系列1A 保險絲在在該時(shí)間段I2t為0.6A2S，滿(mǎn)足500V雷擊要求。

　　對于差模1000v, I2T= 0.5*(500A*70%)^2*30us=1.83 A2S.

　　由此估算：差模1000V，要求2以上，MF2410 2A 保險絲在該時(shí)間段I2t為3 A2S，因此可以滿(mǎn)足該級別雷擊的需求。

　　根據歐規EN55024 和國標GB17618標準，通信類(lèi)消費電子產(chǎn)品電源(charge、Adapter…)以雷擊差模1000V,共模2000V為標準。因此，基于2410尺寸的MF 2A保險絲滿(mǎn)足差模1KV的雷擊要求。

　　2、 對開(kāi)機浪涌的防護

　　為了避免保險絲不正常的熔斷，除了要知道AC/DC電源正常工作電流，工程師對Inrush current進(jìn)行計算評估也顯得相當重要。電源電路存在較大的儲能元件，AC輸入端的濾波網(wǎng)絡(luò )主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。如電路圖中，當電源通電瞬間，要對 C5 充電。由于瞬間充電電流大，對保險絲熔絲形成熔斷風(fēng)險，這種情況要求工程師對Inrush current做計算評估了，再選定額定電流規格的保險絲。例如，我們曾對采用4.7uf的電解電容的10W電源適配器捕捉的Inrush current 波形情況如下：

　　上圖參數如下： Inrush Current : Ipeak=35.9A;Duration : t≈30us　　計算Inrush I2t=1/2* Ipeak2*t=0.0019 A2S，按照保險絲脈沖折減比例，滿(mǎn)足100000次開(kāi)機浪涌的需求，保險絲的I2t(熱熔值)需要滿(mǎn)足：

　　0.0019/20%=0.095 A2S

　　所以 需要保險絲的I2t≥0.095A2S， 從抗電流浪涌角度MF2410F0500TM以上型號保險絲均滿(mǎn)足要求。

　　3、UMF保險絲的通用性問(wèn)題

　　保險絲除了滿(mǎn)足電路的上述要求外，產(chǎn)品的通用性也是工程師考慮的問(wèn)題，作為安規器件，如此小尺寸的保險絲，獲得通往各國市場(chǎng)的安規認證，也是獲得客戶(hù)訂單必要條件。事實(shí)上，AEM推出的這款全球技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品，以全球最小尺寸符合IEC60127-4標準，同時(shí)取得歐規、美規、CQC、KC、PSE、VDE等國家和地區安規認證。滿(mǎn)足人們對保險絲熔斷保障安全的要求。

　　4、應用于新型USB電源適配器快充技術(shù)的方案。

　　如今人們的手機和平板電腦等移動(dòng)設備的屏幕越來(lái)越大，設備耗電量的越來(lái)越高的情況，市場(chǎng)要求電源制造商須在更小的產(chǎn)品體積當中提供更大功率的充電功能。目前，最新的AC/DC適配器解決方案是基于高通Quick Charge 2.0協(xié)議的快速充電解決方案。作為最新的USB電池充電技術(shù)，它使支持Quick Charge 2.0的被充電設備比傳統的USB充電方式快至75%。

　　圖4 采用MF2410 2A/250VAC fuse的 iwatt 快充方案

　　左圖4 為基于Dialog 公司2014年初推出的iw620+iw1760的快速充電設計方案實(shí)物圖，電路的設計思路為iW620快速充電接口IC可以通過(guò)USB數據線(xiàn)檢測到支持Quick Charge 2.0的移動(dòng)設備發(fā)出的指令，然后與iW1760 PWM原邊控制器進(jìn)行通信，對電源適配器輸出電壓進(jìn)行配置。位于初級側的iW1760就可提供電流感應。 通過(guò)其可編程的主動(dòng)快速放電專(zhuān)利技術(shù)能將輸出電壓從9V或12V降至5V， 因此，當用 戶(hù)拔掉連接Quick Charge 2.0手機的USB數據線(xiàn)，再將其連接至非Quick Charge 2.0手機時(shí)，iW620可以迅速把輸出電壓降至5V，避免對其造成損壞。原理由圖如下：

　　這類(lèi)代表著(zhù)最新USB充電技術(shù)的AC/DC適配器選擇SMD fuse的優(yōu)勢除了前述的參數滿(mǎn)足要求外，還具備下列的優(yōu)勢：

　　4.1 . MF 保險絲支持更低的待機功耗和更高的性?xún)r(jià)比

　　為了應對日益嚴苛全球環(huán)保法規，例如歐盟的外部供電能源效率行為準則(Code of Conduct, CoC)對充電產(chǎn)品的功耗和效率都提出了具體的更高要求。因此電源方案制造商有必要對快充方案做到待機功耗足夠小和高效率的運作輸出充電功率。

　　目前市場(chǎng)上有采用保險電阻的電源適配器，功耗遠大于應用保險絲的功耗。例如，選用市面上常用的10Ω5% 1W的保險電阻與MF 2410F1.000TM( 內阻約0.0084Ω)功耗相比：W=I2R，輸入阻抗的增大，將給整個(gè)系統增加無(wú)謂損耗。

　　現今，由PI、Dialog、NXP等電源IC領(lǐng)導廠(chǎng)商紛紛推出兼容Quick Charge 2.0協(xié)議的快速充電的電源IC，預計未來(lái)幾年支持Quick Charge 2.0協(xié)議的AC/DC適配器將逐步普及。

　　這類(lèi)新型的小尺寸低功耗 USB電源適配器追求的元件SMT工藝化，逐漸降低生產(chǎn)企業(yè)人力成本等。隨著(zhù)市場(chǎng)的逐步擴大，又促使SMD元件廠(chǎng)家推出更符合市場(chǎng)要求的價(jià)格，進(jìn)一步滿(mǎn)足小型電源適配器對元件高性?xún)r(jià)比的要求。

　　綜上所述，對MF2410系列 250VAC fuse從產(chǎn)品尺寸、工藝、安規和功耗等在這種小尺寸低功率AC/DC 電源適配器上應用的幾個(gè)角度進(jìn)行了闡述，說(shuō)明這類(lèi)SMD 250VAC fuse電路保護元件將逐步在A(yíng)C/DC電源市場(chǎng)占據主流應用。