為帶USB接口的手機提供全方位保護和充電解決方案

USB充電器接口的電氣特性

新規則要求所有的手機都為電池充電和數據傳輸提供USB接口。但是，手機供應商在決定手持設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(lèi)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(shí)，不僅手機可以用通用充電器充電，也可以通過(guò)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(gè)驚喜，因為他們的行李箱重量可以稍微得到減輕了！

新規則對輸出電壓特性進(jìn)行了定義。充電器的額定輸出電壓應為5V，偏差為±5%。這意味著(zhù)手機連接器端的輸入電壓應保持在4.75V～5.25V之間。此外，手機的最大輸入電流應限定為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，設置一個(gè)1.8A的較高輸入電流限制為以后的發(fā)展留出了空間。由于在可預見(jiàn)的將來(lái)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(jìn)行電池充電或數據傳輸。手機是如何區分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？該規則要求電源適配器同時(shí)配備D+和D-線(xiàn)路，并短接在充電器內部。當數據線(xiàn)未短路時(shí)，手機將識別出源是USB端口，因此會(huì )將輸入電流限制為最高值500mA以符合USB標準。

手機內部充電電路的要求

雖然我們通常稱(chēng)電源適配器為“充電器”，但實(shí)際上充電電路在手機內部。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充當充電電流的傳輸元件。MOSFET和電池之間連接了一個(gè)肖特基二極管，以便切斷關(guān)斷時(shí)通過(guò)MOSFET內部體二極管的反向漏電流通路。這里計算一下通過(guò)這個(gè)充電電路中的兩個(gè)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?jì)?，我們需要一個(gè)R_ds(on)小于150mΩ的MOSFET(也就是說(shuō)要求MOSFET的壓降必須小于0.15V)。

我們可以觀(guān)察到，肖特基二極管促成了0.35V的極高壓降。隨著(zhù)充電電流的增加，這很快會(huì )成為一個(gè)阻塞點(diǎn)。通過(guò)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(gè)具有低VCE(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(zhù)任何帶有USB插頭的電源都可以連接至新的手機，無(wú)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計成輸出電壓為5V，如果它的調制設計不當，那么電源適配器可能輸出偏差高于規定的5%的電壓。為了保護這些過(guò)壓狀態(tài)下的便攜式終端，MII強制移動(dòng)手持設備將輸入過(guò)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(guò)6V，過(guò)壓保護電路就會(huì )被激活，從而將故障電源與手持設備中的其余電路隔離。

過(guò)壓保護IC

過(guò)壓保護(OVP)IC是一個(gè)可以在28V這樣的極高電壓下工作而不會(huì )毀壞的集成電路。它包含一個(gè)電壓檢測器和一個(gè)內部驅動(dòng)器電路，以控制作為開(kāi)關(guān)的MOSFET，從而在輸入電壓高于過(guò)壓檢測閾值(這個(gè)閾值電壓有時(shí)被稱(chēng)為過(guò)壓閉塞或OVLO)時(shí)使電源與系統隔離。NCP347MTAE就是一個(gè)OVP電路，專(zhuān)用于保護USB充電器的便攜式終端。該電路具有內置50ms啟動(dòng)延遲，在此延遲期間內部開(kāi)關(guān)保持打開(kāi)狀態(tài)，以便不會(huì )有高電平瞬態(tài)電壓傳輸到系統中。在工作期間，MOSFET將被導通，當檢測到故障狀態(tài)時(shí)，它可以在1.5?s (典型值)內被觸發(fā)至關(guān)斷狀態(tài)。為USB充電器選擇OVP IC時(shí)，應確保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(mǎn)足MII的USB充電器要求，適合的OVLO值應低于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)應保持盡可能低。在NCP347中，集成的N溝道MOS開(kāi)關(guān)的典型Ron僅為典型值65mΩ。這個(gè)值是市場(chǎng)中同類(lèi)產(chǎn)品中最低的。

帶連接至處理器的接口的OVP IC可實(shí)現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(guò)編程將處理器設定為檢測到連續的故障狀態(tài)時(shí)明確地禁止NCP347。否則，當故障狀態(tài)被消除時(shí)，OVP應自動(dòng)地再次導通。最后，其2.5x2.5x0.55mm的超薄封裝應適合任何小型便攜式設計。這種保護電路將確保手機通過(guò)CTTL要求的60分鐘的過(guò)壓測試條件。

本文小結

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(chǎng)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(xiāo)售的冗余電池充電器減少1億個(gè)。這個(gè)新標準將節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(chǎng)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(hù)帶來(lái)更多便利。用戶(hù)還可以利用筆記本電腦等其它USB主機來(lái)對手機電池進(jìn)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(lái)了將非標準充電器連接至手持設備的風(fēng)險。因此MII要求手機供應商在手機中加入一個(gè)過(guò)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。該電路可以在數微秒內非常迅速地觸發(fā)，從而使浪涌電壓與手機系統隔離。

圖4 帶鋰離子電池充電器IC NCP347的典型應用。