手机USB充电和过压保护解决方案

【Word版本下载可任意编辑】手机USB充电和过压保护解决方案本文将重点结合手机侧的要求来分析USB充电和过压保护设妙策略，以及相应的解决方案。

图1YD/T1591-20**标准所涵盖手机侧和充电器侧两大部分

手机充电要求及不同充电电路解决方案比较

通常所称的手机充电器实际上是交流/直流(AC-DC)电源适配器，真正的充电电路乃是在手机内部。根据YD/T1591标准要求，手机充电接口直流输入电压也就是充电器的输出电压为5V±5%，即范围为4.75V~5.25V；标准充电器的充电电流为300mA至1,800mA，非标准充电器(如笔记本电脑的USB端口等)的充电电流为500mA。无论充电器的输出功率如何，手持机侧充电控制电路应能根据自身需求实施安全充电，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象。

在手机内部的充电电路方面，业界有着不同的解决方案，主要包括分立式充电IC、集成式充电IC、电源管理集成电路(PMIC，或称电源管理单元，简称PMU)+外部充电功率元件等三种。这三种方案各有其特点。其中，对于分立式充电IC方案而言，优点在于便于增加或修改功能，从而更有利于实现产品差异化，此外，这种方案有利于实现困难的电路板布局，到达苛刻的电磁兼容要求，也具有更好的散热特性。其缺点在于使用的元件较多，成本高，会增加电路板占用面积，而这会给电路板空间弥足珍贵的手机等便携设备设计带来更大挑战。这种方案正在逐步淘汰之中。

对于集成式充电方案而言，它集成了大量的功能，所需的外围器件非常少，易于实现小尺寸的外形因数，利于降低电路板布局的复杂性。包括安森美半导体在内的众多厂商都支持这种方案。不过，由于工艺和功耗方面的原因，集成式充电解决方案对充电电流的大小会有严格限制。此外，集成式方案布局比较麻烦，缺乏灵活性，难以满足产品功能差异化要求，所集成的众多功能对有些客户来说可能意味着过多的限制。因此，这种方案主要适合于对灵活性要求不高的高产量应用。

图2“PMU+充电功率元件”型充电解决方案的构造示意图

相比较前两种方案而言，“PMU/PMIC+充电功率元件”这种方案处于主流地位。这种方案综合了集成度与灵活性的优势，适用于必须支持不同市场的产品。基于这种理念的设计不会占用太多电路板空间，但元件的位置可以更灵活，且易于实现产品的差异化。在这种方案中，外部充电功率元件可以是场效应管(FET)、双FET、双极型晶体管(BJT)和FETKY(MOSFET和肖特基二极管共同封装在一起)等。这种解决方案的构造示意图如图2所示。

如上所述，在第三种解决方案中，可以选用不同的外部充电功率元件。那么，终究什么样的充电功率元件更合适呢？我们可以通过坏情况来予以分析。

假定充电器(电源适配器)提供的电压是4.75V，而电池电压为4.3V，充电器电流为500mA，而感测电阻为200mΩ，PCB电阻为100mΩ。这样对手机充电电路而言，就在电源输入和电池之间留出了0.45V的电压裕量。

图3FETKY和双FET方案的构造示意图

结合图2和图3(a)所示，充电由PMU控制，MOSFET充当充电电流的传输元件。这里计算一下通过这个充电电路中的两个传输元件(MOSFET和肖特基二极管)的压降。

Vdropout=充电电流×Rds(on)+Vf=0.5A×Rds(on)+Vf

在坏情况下，充电器电流为500mA时，压降(Vdropout)概算为300mV。也就是当充电器电流为500mA时，典型的肖特基二极管的正向电压(Vf)已经是400mV，这就导致无法提供足够的电压裕量。而且随着充电电流的增加，肖特基二极管所促成的0.4V极高压降更会使其成为一个阻塞点。因此，在今后的解决方案中应该防止使用FETKY解决方案。

而在另一方面，通过用具有低VCE(Sat)的晶体管或者具有低Rds(on)的MOSFET代替肖特基二极管，可以降低传输元件上的压降，从而符合所需要的有限电压裕量要求。例如，双FET用作充电功率元件(如图3(b)所示)就是一个更加合适的选择。在这方面，安森美半导体的NTLJD3115P和NTHD4102P就是非常适合的选择。其中，NTLJD3115P是一款-20V、-4.1A、μCool?双P沟道功率MOSFET，它采用2×2mm的WDFN封装，具有极低的导通阻抗，其0.8mm的高度也使其非常适合纤薄的应用环境；它针对便携设备中的电池和负载管理应用开展了优化，适合于锂离子电池充电和保护电路应用及高端负载开关应用。而NTHD4102P是一款-20V、-4.1A双P沟道ChipFETTM功率MOSFET，同样具有较小的占位面积和极低的导通阻抗，适合于纤薄的便携应用环境。

具体而言，采用双FET的有利因素包括：阻塞反向电流、允许反向给蓝牙配件充电，以及导通阻抗(Rds(on))较低。此外，对于MOSFET而言，由于它需要频繁地开展开关操作，所以其发热成为一项问题，并且由此影响到它的使用寿命。而在采用双FET的方案中，MOSFET器件所具备的热感应等额外功能可以建立热控制环路，支持快速高效的充电方案和热保护。

而在用双FET作为充电功率元件开展500mA甚至1,800mA的大电流充电时，需要注意到许多设计考虑事项，如器件温度、温度的计算过程容易出错等。不过，就近的节温度传感器可以改正部分错误，且准确的温度调节可以实现高效的充电解决方案。此外，还需要针对性地开展设备热模拟和温度感应FET评估等工作。

总的来看，在选择MOSFET作为电池充电电路的充电功率元件时，我们应注意其电流额定值、击穿电压、栅极阈值及热性能等。我们可根据不同的PMIC/PMU和设计目标，采用不同的配置。

有效的过压保护解决方案

根据YD/T1591-20**标准，手机侧充电控制电路应具备过压保护装置，也就是在手机充电接口导入直流6V以上电压时，如果不能保证安全充电，应启动保护，在非预期电压的情况下，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象，而且恢复后，手机应能正常工作。如图4所示，过压保护(OVP)电路在检测到过压故障状况时，检测电路就会将开关打开，使电子负载与电源断开，从而使得包括微处理器、射频、存储器和电源管理器件等芯片遭受过压损伤。

图4过压保护电路启用的原理示意图

在为手机充电电路提供过压保护方面，即有分立的解决方案，也有集成的解决方案。在分立式解决方案方面，其中之一就是考虑到远高于6V的电压情形，如静电放电(ESD)，其瞬间的应力电压可能高达几千伏甚至十几千伏，这种情形下，可以施加瞬态电压抑制器(TVS)二极管，以此处理瞬变极快的过压故障。在这方面，安森美半导体的TVS二极管就非常适用。例如，在击穿电压为6.2V时，安森美半导体的ESD5Z5.0T1.G能在几纳秒时间内就对符合IEC61000-4-2标准的高达30kV的输入电压开展钳位，且钳位电压可高达11.6V，从而为系统中的关键元件提供可靠的ESD保护。

另一种分立型解决方案就是将OVP驱动器与外部P-MOS配合使用。安森美半导体的NCP346就是这样一个适用的驱动电路，它能够承受高达30V的瞬态电压。这器件设计用于感测过压状况，并快速地从负载断开输入的电压，从而防止造成损伤。NCP346包含的电压参考、磁滞比较器、控制逻辑以及MOSFET门驱动器。搭配OVP驱动器与外部P-MOS时，其优点在于精度高、支持Enable引脚，且下游系统可与AC-DC完全分离。但它也有其缺陷，如电流消耗高及解决方案尺寸较大等。

除了这些分立的解决方案，安森美半导体还推出了全集成的OVP解决方案。这也包括两种解决方案，其中一种是针对插墙式AC-DC适配器充电为手机提供高达2A的电流和高达28V的故障瞬态电压的保护，在这方面，安森美半导体的NCP348就是非常适合的选择。NCP348支持的墙式适配器和USB充电电流和电压可分别高达2A和28V。它支持Enable和Status/FLAG引脚，并支持6.02和6.4V的不同过压锁定(OVLO)值。其它的优点包括下游系统可与AC-DC完全隔离和精度高等。此外，它采用极小的2×2.5mmWDFN封装，非常适合小巧的便携应用。不过，这种方案也有其缺陷之处，也就是在500μA电流的休眠模式下，不符合USB规范。这种情况下的解决之道就是采用NCP360和NCP361过压保护电路。NCP360是一款带内置PMOSFET和状态标记的USB正向过压保护控制器，它能够在检测到错误的VBUS工作条件时从输出引脚断开系统连接。这器件能够高达20V的正向过压保护。由于集成了内部PMOSFET，无需外部元件，从而降低了系统成本，并减少了电路板占用面积。此外，在旁路设置一个1μF或更大的电容时，这器件还能够提供ESD保护输入(15kV空气放电)。NCP361则是一款正向过压保护和过流保护控制器。它不仅能够在检测到输入电压超过过压阀值时瞬时断开输出连接，而且得益于其过流保护能力，其集成的PMOS将在充电电流超过电流限制时关闭。

图5集成式OVP解决方案NCP348的应用电路示意图

另一种方案针对的就是通过USB端口(VUSB引脚)来充电。这种方案的充电电流为100mA或500mA，休眠模式下的电流为500μA(NCP360和NCP361)或100μA(NCP348)。

对于过压而言，为了防止造成损伤，过压保护器件的关断时间必须尽可能地快。值得一指的是，无论是NCP360还是NCP348，与同类产品相比，其关断时间都更短。以NCP348为例，它长需要5μs的关断时间，而在3V/μs条件下，一般只需要1.5μs。而NCP360长只需要1.5μs，一般只需要0.8μs。

总的来看，在为手机充电电路提供过压保护方面，集成式OVP是效的解决方案，它不仅使得下游系统可与AC-DC适配器完全隔离，而且PCB占用空间，并且提供多种功能，如精度高、支持Ena