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手机充电系统设计挑战及解决方案

导读: 目前市场上有多种类型的适配器可为锂离子电池充电并为手机系统提供电源,同时由于中国实施了统一的手机充电接口,只要兼容的USB接口的连接线都可以为手机充电,这样设计人员将无从得知消费者究竟使用何种适配器为手机充电。

  引言

  目前市场上有多种类型的适配器可为锂离子电池充电并为手机系统提供电源,同时由于中国实施了统一的手机充电接口,只要兼容的USB接口的连接线都可以为手机充电,这样设计人员将无从得知消费者究竟使用何种适配器为手机充电,而这些适配器的电气规格会因为制造商的不同而各异,同时由于半导体工艺的不断进步,手机平台的主频和集成度越来越高,芯片面积越来越小,但平台芯片的耐压也随之降低,这些都为设计人员提出了严峻的挑战,要求设计人员必须设计出一个针对不同手机平台在使用不同适配器的情况下均能满足安全性和可靠性要求的手机充电系统。本文首先讨论手机充电系统面临的一些主要问题,然后针对这些问题提出了对应的措施,以帮助设计人员应对这些挑战。

  手机充电系统面临的主要问题及应对措施

  手机充电系统面临的主要问题有输入过压、如何兼容诺基亚适配器、不同要求的手机充电系统兼容设计以及手机充电系统外围器件的布局及PCB布线考虑等。

  输入过压及过压保护

  导致输入过压的原因有很多,如使用非稳压的或者不正确的适配器,某些国家的电网不稳导致适配器的输出电压随市电电压变化、适配器热插拔或负载瞬态变化时引起的瞬态过压等。使用非稳压的或者不正确的适配器和适配器热插拔时的瞬态是引起输入过压最常见的情况。

  目前市场上常见的适配器根据特性可划分为两种:稳压适配器和非稳压适配器。稳压适配器的输出电压通过内部电路提供非常优秀的线性调整率(Line Regulation)和负载调整率(Load Regulation),而非稳压适配器所提供的输出电压取决于负载。图1为典型的非稳压适配器和稳压适配器的输出电压与负载的关系曲线图。

  

  图1:稳压与非稳压适配器的负载曲线图。

  而在适配器热插拔时,也会出现瞬态的过压电压,由于适配器连接线的寄生电感效应,热插拔时会产生瞬态的输出振荡波形,经过一段时间的衰减后会稳定在DC值。图2为5.5V适配器热插拔时的瞬态波形,通常适配器热插拔时产生的瞬态过压峰值电压是其DC值的两倍左右。

  

  图2:直流输出为5.5V的AC适配器热插拔时的瞬态过压波形。

  随着半导体工艺的不断进步,手机平台的集成度和主频越来越高,芯片面积越来越小,随之带来的问题是平台芯片的耐压也随之降低。早期平台的耐压比较高,非稳压适配器的空载输出电压或者适配器热插拔时的瞬态过压手机平台是可以承受的。而采用先进工艺制程的手机平台由于集成度高,耐压低,前面所述的电压直接加到手机平台芯片上就有可能会引起芯片的损伤,所以采用先进工艺制程的手机平台就要求设计人员应用时需要在适配器和手机平台对应的充电模块之间增加一个输入过压保护(OVP)芯片,防止适配器输出的过高电压对手机平台芯片产生损伤。例如MTK的早期手机平台MT6305/5318、展讯的SC6600L的充电引脚最高可承受电压为15V,高通的QSC6240/6270的充电引脚最高可承受电压为18V,均不要求增加OVP芯片,而MTK的MT6223/6235/6238/6253由于充电引脚最高可承受电压只有9V,所以就要求增加OVP芯片,以防止适配器的过高输出电压对手机平台芯片产生损伤。

  对于增加的OVP芯片,其可承受的最高耐压只要和早期的几个手机平台芯片的耐压相同就可以了,因为早期的手机平台芯片已经大批量出货,在市场的长期应用验证了其耐压的安全性和可靠性,所以对于增加的OVP芯片,其可承受的最高耐压只要在15V以上就已经足够了。

  出于充电时的安全考虑,手机平台一般会限制充电电压在7V以下,适配器输出电压高于7V若直接接到手机充电模块是不允许充电的,另外由于国内统一的充电接口标准的实施,适配器的DC输出电压大多集中在5~6V,针对国内适配器的特点,OVP芯片主要是为了避免适配器热插拔时的瞬态过冲对手机平台芯片的累计性损伤。

  

  图3:适用于国内适配器的单芯片手机充电系统方案。

  而上海艾为的AW3206就是一款能满足国内手机充电系统要求的OVP芯片。AW3206的OVP保护电压为6.8V,适用于适配器输出电压为5~6V的国内手机充电系统。对于热插拔的瞬态过压,AW3206的100ns过压保护反应时间能确保手机充电系统的安全。AW3206高达±8KV(HBM)的ESD保护和±450mA的Latch-up保护都是增加手机充电系统的安全性和可靠性的有力基础。

  为了增加手机充电系统的安全性和可靠性,AW3206具有以下特点:

  1、6.8V的输入保护电压,适用于适配器输出电压为5~6V的国内手机充电系统;

  2、集成K-Charge技术的输入限流保护,既能在芯片温度低的时候保证比较大的充电电流,又能在芯片结温太高时智能调整输出电流来限制结温,性能与安全兼顾;

  3、集成具有防反灌功能的充电P-MOSFET,既节省成本,又可防止待机时电池电流反灌;

  4、锂离子电池过压保护和过温保护。

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