手機USB充電面臨的綠色挑戰
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最危險的是經(jīng)常發(fā)生的閃電浪涌。因為閃電在輸電線(xiàn)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 )感應到。事實(shí)上，每次閃電擊中電源線(xiàn)或僅僅擊中電源線(xiàn)附近的大地時(shí)，都會(huì )在(掩埋的)地線(xiàn)上產(chǎn)生增壓。這個(gè)波(電壓和電流)會(huì )通過(guò)電源線(xiàn)快速傳播，并穿過(guò)中心電站中的各個(gè)保護設備，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(zhù)手機的電源插座上。
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)驗和測量已經(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)間被規定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。
對設計使用低電壓和低電流工作的電子設備來(lái)說(shuō)這種過(guò)電流確實(shí)非常危險。一個(gè)好的保護裝置必須能夠通過(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，從而保護充電電路不受損壞。
這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強大，對設計師來(lái)說(shuō)是一個(gè)更艱巨的挑戰。
在法國(55萬(wàn)平方公里)，每年有100萬(wàn)次雷擊擊中大地!因此這種現象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內擊中房屋周?chē)鷰坠飪鹊囊豢脴?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，但電子設備卻很容易。計算機、電視機等家電在設計時(shí)就考慮到了要插入輸電線(xiàn)，因此都有完善的保護。其他便攜式設備則采用帶有合適保護裝置的專(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(xiàn)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)挑戰是保護器件上的功耗。能夠保護設備免受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20μA。通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)單的計算可以發(fā)現，對于一個(gè)擁有1,000mAh的電池和400小時(shí)待機時(shí)間的手機來(lái)說(shuō)，在偏置線(xiàn)上增加這樣一個(gè)器件將使待機時(shí)間縮短大約1%!
解決方案建議
設計師要在保護器件微型化、浪涌電壓下的效率，以及功耗之間做出艱難的權衡。
圖2是手機的一個(gè)典型拓撲例子，它在上述三個(gè)參數之間提供了可接受的折衷方案：
F2：USB的VBUS線(xiàn)采用的保護拓撲例子
如果出于任何理由，將TVS二極管連接到VBAT或另外一條永久偏置線(xiàn)，那么TVS二極管的漏電流必須非常低。這種解決方案的漏電流為0.5μA時(shí)可以滿(mǎn)足便攜式設備的要求。
最后，解決方案的占位面積必須非常小，以便在已經(jīng)集成了許多功能和許多芯片的PCB上得以實(shí)現。ESDA8V2-1MX2采用1.0mmx1.45mm的微型QFN封裝，最大厚度只有0.6mm。(end)
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