手機充電系統(tǒng)面臨的問題及解決措施

　引言

　　目前市場上有多種類型的適配器可為鋰離子電池充電并為手機系統(tǒng)提供電源，同時由于中國實施了統(tǒng)一的手機充電接口，只要相容的USB接口的連接線都可以為手機充電，這樣設計人員將無從得知消費者究竟使用何種適配器為手機充電，而這些適配器的電氣規(guī)格會因為制造商的不同而各異，同時由于半導體工藝的不斷進步，手機平臺的主頻和集成度越來越高，芯片面積越來越小，但平臺芯片的耐壓也隨之降低，這些都為設計人員提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，要求設計人員必須設計出一個針對不同手機平臺在使用不同適配器的情況下均能滿足安全性和可靠性要求的手機充電系統(tǒng)。本文首先討論手機充電系統(tǒng)面臨的一些主要問題，然后針對這些問題提出了對應的措施，以幫助設計人員應對這些挑戰(zhàn)。

　　手機充電系統(tǒng)面臨的主要問題及應對措施

　　手機充電系統(tǒng)面臨的主要問題有輸入過壓、如何兼容諾基亞適配器、不同要求的手機充電系統(tǒng)兼容設計以及手機充電系統(tǒng)外圍器件的布局及PCB布線考慮等。

　　輸入過壓及過壓保護

　　導致輸入過壓的原因有很多，如使用非穩(wěn)壓的或者不正確的適配器，某些國家的電網不穩(wěn)導致適配器的輸出電壓隨市電電壓變化、適配器熱插拔或負載瞬態(tài)變化時引起的瞬態(tài)過壓等。使用非穩(wěn)壓的或者不正確的適配器和適配器熱插拔時的瞬態(tài)是引起輸入過壓最常見的情況。

　　目前市場上常見的適配器根據特性可劃分為兩種：穩(wěn)壓適配器和非穩(wěn)壓適配器。穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過內部電路提供非常優(yōu)秀的線性調整率(Line Regulation)和負載調整率(Load Regulation)，而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓取決于負載。圖1為典型的非穩(wěn)壓適配器和穩(wěn)壓適配器的輸出電壓與負載的關系曲線圖。

　　圖1: 穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓適配器的負載曲線圖。

　　而在適配器熱插拔時，也會出現瞬態(tài)的過壓電壓，由于適配器連接線的寄生電感效應，熱插拔時會產生瞬態(tài)的輸出振蕩波形，經過一段時間的衰減后會穩(wěn)定在DC值。圖2為5.5V適配器熱插拔時的瞬態(tài)波形，通常適配器熱插拔時產生的瞬態(tài)過壓峰值電壓是其DC值的兩倍左右。

　　圖2： 直流輸出為5.5V的AC適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓波形。

　　隨著半導體工藝的不斷進步，手機平臺的集成度和主頻越來越高，芯片面積越來越小，隨之帶來的問題是平臺芯片的耐壓也隨之降低。早期平臺的耐壓比較高，非穩(wěn)壓適配器的空載輸出電壓或者適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓手機平臺是可以承受的。而采用先進工藝制程的手機平臺由于集成度高，耐壓低，前面所述的電壓直接加到手機平臺芯片上就有可能會引起芯片的損傷，所以采用先進工藝制程的手機平臺就要求設計人員應用時需要在適配器和手機平臺對應的充電模塊之間增加一個輸入過壓保護(OVP)芯片，防止適配器輸出的過高電壓對手機平臺芯片產生損傷。例如MTK的早期手機平臺MT6305/5318、展訊的SC6600L的充電引腳最高可承受電壓為15V，高通的QSC6240/6270的充電引腳最高可承受電壓為18V，均不要求增加OVP芯片，而MTK的MT6223/6235/6238/6253由于充電引腳最高可承受電壓只有9V，所以就要求增加OVP芯片，以防止適配器的過高輸出電壓對手機平臺芯片產生損傷。

　　對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要和早期的幾個手機平臺芯片的耐壓相同就可以了，因為早期的手機平臺芯片已經大批量出貨，在市場的長期應用驗證了其耐壓的安全性和可靠性，所以對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要在15V以上就已經足夠了。

　　出于充電時的安全考慮，手機平臺一般會限制充電電壓在7V以下，適配器輸出電壓高于7V若直接接到手機充電模塊是不允許充電的，另外由于國內統(tǒng)一的充電接口標準的實施，適配器的DC輸出電壓大多集中在5～6V，針對國內適配器的特點，OVP芯片主要是為了避免適配器熱插拔時的瞬態(tài)過沖對手機平臺芯片的累計性損傷。

　　圖3： 適用于國內適配器的單芯片手機充電系統(tǒng)方案 。

　　而上海艾為的AW3206就是一款能滿足國內手機充電系統(tǒng)要求的OVP芯片。AW3206的OVP保護電壓為6.8V，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國內手機充電系統(tǒng)。對于熱插拔的瞬態(tài)過壓，AW3206的100ns過壓保護反應時間能確保手機充電系統(tǒng)的安全。AW3206高達±8KV(HBM)的ESD保護和±450mA的Latch-up保護都是增加手機充電系統(tǒng)的安全性和可靠性的有力基礎。