移動(dòng)設備充電引起的環(huán)境和安全問(wèn)題解決方案

為了在移動(dòng)設備充電方面提供更多的靈活性，設計人員正在建立新的充電方法，如無(wú)線(xiàn)充電和太陽(yáng)能充電，但是他們的挑戰并未結束；這些充電方法也同樣必須考慮與充電相關(guān)的環(huán)境和安全性問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)充電和太陽(yáng)能充電是極好的話(huà)題，但我們這里將只討論為移動(dòng)設備充電而引起的環(huán)境和安全問(wèn)題。幸運的是，采用一系列提供連接、保護和檢測的創(chuàng )新IC產(chǎn)品，可以解決那些問(wèn)題。

保護

保護功能不僅應用于系統的保護，而且通過(guò)減少電子廢物，也延伸至環(huán)境保護。例如，當手機用戶(hù)獲得一部新手機，并要處理舊手機，充電器通常會(huì )隨舊手機 而棄置垃圾場(chǎng)。實(shí)際上，每年約有十億部手機和其隨附的充電器被丟棄，從而進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)。如果充電器可以從一部手機轉用到另一部手機上，或通用，將會(huì )出現 更環(huán)保的情形并減少這類(lèi)浪費行為。幸好，這正是全球范圍開(kāi)始發(fā)生的事情。歐盟委員會(huì )已提出諒解備忘錄來(lái)協(xié)調充電器產(chǎn)品，這正在推動(dòng)手機制造商在手機充電器 上使用微型USB（micro-USB）接口，用于具有數據功能的智能電話(huà)（增長(cháng)最快的一類(lèi)）。因而充電器可以用于一種又一種手機，以及一代又一代的手 機。在美國，為促進(jìn)更環(huán)保的世界，兩家美國無(wú)線(xiàn)行業(yè)協(xié)會(huì )，GSMA和CTIA，正在推進(jìn)通用充電解決方案（Universal Charging Solution，UCS）計劃，除此之外，主要的手機供應商正在聯(lián)合手機芯片生產(chǎn)商，來(lái)支持通用充電器。一段時(shí)間以來(lái)，韓國電信技術(shù)協(xié)會(huì ) （Telecommunications Technology Association，TTA）已認識到可再用充電解決方案的優(yōu)勢，并批準了用于充電器和耳機的通用20針連接器，以實(shí)現較先前使用24針連接器更薄的 手機外形。圖1是韓國TTA充電器的照片。

圖1. 韓國20針TTA充電器

出于安全的考慮，中國企業(yè)的方法也是通用的并使用USB端口。退一步說(shuō)，手機電池爆炸的看法使人緊張不安，在中國備受矚目的傷害報告已經(jīng)促使之前的中國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了“用于移動(dòng)電信終端設備的充電器和接口的技術(shù)要求和測試方法”，以期提高充電安全性。

過(guò)壓保護

中國和其它地區安全標準的一個(gè)關(guān)鍵部分與過(guò)壓保護有關(guān)，顧名思義，就是用于電池再充電的電壓高于特定電池的指定安全電壓水平時(shí)的保護。過(guò)壓會(huì )損壞電池，甚至達到起火的程度，因而設計過(guò)壓保護（或“OVP”）集成電路以避免這樣的狀況。假若電壓升得太高，OVP IC監測電壓并使手機與充電源相隔離。典型的OVP IC包含內部MOSFET或控制一個(gè)或更多外部MOSFET，以便切斷引起麻煩的充電源。

因為手機中的空間始終是寶貴的，因而緊湊封裝是必要的，并且由于靠電池供電，低功耗是強制要求。以韓國的應用為例，要求保護IC始終在電路內，并且保護手機免受±20V電壓損壞。而且，保護器件必須是雙向的、將電池電壓傳送回設備用于USB On-the-Go（OTG）檢測。為符合韓國標準，必須在電池電壓為4.35V±1%容差下設置觸發(fā)。其它地區的要求稍有不同，所以應該始終關(guān)注細節。

現有的IC可以自動(dòng)檢測連接至電話(huà)或其它移動(dòng)平臺USB端口的設備類(lèi)型，且可以區分充電器和耳機。例如，經(jīng)設計滿(mǎn)足中國電信標準的IC，要求過(guò)壓保 護器件包含在手機聽(tīng)筒內，以阻止來(lái)自外部充電器的潛在危險信號。這規定了支持的特性，如過(guò)壓和欠壓保護、D+/D-短路檢測（用于指示是否連接充電器或其 它裝置）、標準USB設備連接支持，以及MOSFET開(kāi)關(guān)控制。滿(mǎn)足這些需求的IC可以使用一個(gè)外部MOSFET或通常連同控制電路一起組合在單一封裝中 的一個(gè)或多個(gè)MOSFET來(lái)提供隔離開(kāi)關(guān)功能。對于過(guò)壓或欠壓情形，一個(gè)典型的OVP （UVP）負載開(kāi)關(guān)IC會(huì )監控電壓總線(xiàn)，并且假若電壓讀數低于或超出指定的限值（例如，低于3.3V或高于6.0V）時(shí)，設置標記針，同時(shí)關(guān)斷MOSFET負載開(kāi)關(guān)。欠壓閉鎖（UVLO）和其它事項

也需要避免欠壓情形。欠壓監測，稱(chēng)為欠壓保護（Under Voltage Protection，UVP）、經(jīng)常稱(chēng)為欠壓閉鎖（Under Voltage Lock Out，UVLO），用于確保一旦電池電壓低于指定的電平，系統以受控方式關(guān)閉，從而不會(huì )產(chǎn)生不穩定的振蕩，或進(jìn)入欠壓情形。用于移動(dòng)、PC和其它應用的 IC現在提供UVLO功能。這些現代IC通過(guò)使用集成MOSFET提供電源信號調節，如前所述，同時(shí)提供OVP和UVLO功能；更復雜的型款還增添了浪涌 電流限制、過(guò)電流保護（over-current protection，OCP）、反向電流保護、故障管理、轉換速率控制和熱保護功能。例如，浪涌電流限制，有助于避免元件的逐漸損壞，減少功耗，并減少 系統中的瞬態(tài)效應。在某些IC中，提供了虛擬二極管來(lái)防止出現反向電流情形而無(wú)典型的二極管電壓降。集成故障管理允許自動(dòng)重啟、電流限制閉鎖、或設置硬限 制而無(wú)需額外的硬件或軟件。由于便攜設備功能增多，導致了更多電能的使用，因此產(chǎn)生了更高的工作溫度，所以溫度監測正變得更為重要，將它們集成到負載中可 以節省成本和空間。

圖2. 典型的負載開(kāi)關(guān)IC結構圖

檢測和連接

由于USB端口變得非常普遍，對于手機和其它移動(dòng)平臺，它已變得方便并且是必需的，用于確定何種設備（如充電器、音頻耳機、UART（通用異步收發(fā)器）、TTY和用戶(hù)定義的附件）相連接，以及對各種信號進(jìn)行轉換和路由以實(shí)現所需的系統連接，提供除保護之外的所有功能?，F在已有在單一封裝內提供多種功 能的IC產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都是前面提到的產(chǎn)品類(lèi)型的擴展，所以，現在已有一系列具備從簡(jiǎn)單的OVP功能到包括檢測和開(kāi)關(guān)的多種功能的IC產(chǎn)品。此類(lèi)擴展集的 一個(gè)很好的示例，就是多功能IC產(chǎn)品FSA9285，帶有28V OVP負載開(kāi)關(guān)、3合1多媒體開(kāi)關(guān)和USB附件檢測及自動(dòng)配置功能，允許USB數據、充電器、音頻（立體聲和單聲道）以及UART數據共享USB端口。圖3所示為方框圖。

圖3：FSA9285集成USB IC方框圖

管理充電對于移動(dòng)應用是無(wú)法回避的現實(shí)。隨著(zhù)設計周期的縮短，以及平板電腦、便攜式電腦、手持式游戲機、照相機、導航系統、當然還有手機等新平臺的 擴展，對于設計人員而言至關(guān)重要的是擁有多種選擇，以便保護、檢測和連接移動(dòng)設備與充電源和其它子系統。市場(chǎng)上的IC產(chǎn)品系列有助于確保移動(dòng)設計安全、符 合規范、緊湊，并具有成本效益和環(huán)境友好性。