移動設(shè)備充電引起的環(huán)境和安全問題解決方案

為了在移動設(shè)備充電方面提供更多的靈活性，設(shè)計(jì)人員正在建立新的充電方法，如無線充電和太陽能充電，但是他們的挑戰(zhàn)并未結(jié)束；這些充電方法也同樣必須考慮與充電相關(guān)的環(huán)境和安全性問題。無線充電和太陽能充電是極好的話題，但我們這里將只討論為移動設(shè)備充電而引起的環(huán)境和安全問題。幸運(yùn)的是，采用一系列提供連接、保護(hù)和檢測的創(chuàng)新IC產(chǎn)品，可以解決那些問題。

保護(hù)

保護(hù)功能不僅應(yīng)用于系統(tǒng)的保護(hù)，而且通過減少電子廢物，也延伸至環(huán)境保護(hù)。例如，當(dāng)手機(jī)用戶獲得一部新手機(jī)，并要處理舊手機(jī)，充電器通常會隨舊手機(jī) 而棄置垃圾場。實(shí)際上，每年約有十億部手機(jī)和其隨附的充電器被丟棄，從而進(jìn)入垃圾填埋場。如果充電器可以從一部手機(jī)轉(zhuǎn)用到另一部手機(jī)上，或通用，將會出現(xiàn) 更環(huán)保的情形并減少這類浪費(fèi)行為。幸好，這正是全球范圍開始發(fā)生的事情。歐盟委員會已提出諒解備忘錄來協(xié)調(diào)充電器產(chǎn)品，這正在推動手機(jī)制造商在手機(jī)充電器 上使用微型USB（micro-USB）接口，用于具有數(shù)據(jù)功能的智能電話（增長最快的一類）。因而充電器可以用于一種又一種手機(jī)，以及一代又一代的手 機(jī)。在美國，為促進(jìn)更環(huán)保的世界，兩家美國無線行業(yè)協(xié)會，GSMA和CTIA，正在推進(jìn)通用充電解決方案（Universal Charging Solution，UCS）計(jì)劃，除此之外，主要的手機(jī)供應(yīng)商正在聯(lián)合手機(jī)芯片生產(chǎn)商，來支持通用充電器。一段時間以來，韓國電信技術(shù)協(xié)會 （Telecommunications Technology Association，TTA）已認(rèn)識到可再用充電解決方案的優(yōu)勢，并批準(zhǔn)了用于充電器和耳機(jī)的通用20針連接器，以實(shí)現(xiàn)較先前使用24針連接器更薄的 手機(jī)外形。圖1是韓國TTA充電器的照片。

圖1. 韓國20針TTA充電器

出于安全的考慮，中國企業(yè)的方法也是通用的并使用USB端口。退一步說，手機(jī)電池爆炸的看法使人緊張不安，在中國備受矚目的傷害報告已經(jīng)促使之前的中國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了“用于移動電信終端設(shè)備的充電器和接口的技術(shù)要求和測試方法”，以期提高充電安全性。

過壓保護(hù)

中國和其它地區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)的一個關(guān)鍵部分與過壓保護(hù)有關(guān)，顧名思義，就是用于電池再充電的電壓高于特定電池的指定安全電壓水平時的保護(hù)。過壓會損壞電池，甚至達(dá)到起火的程度，因而設(shè)計(jì)過壓保護(hù)（或“OVP”）集成電路以避免這樣的狀況。假若電壓升得太高，OVP IC監(jiān)測電壓并使手機(jī)與充電源相隔離。典型的OVP IC包含內(nèi)部MOSFET或控制一個或更多外部MOSFET，以便切斷引起麻煩的充電源。

因?yàn)槭謾C(jī)中的空間始終是寶貴的，因而緊湊封裝是必要的，并且由于靠電池供電，低功耗是強(qiáng)制要求。以韓國的應(yīng)用為例，要求保護(hù)IC始終在電路內(nèi)，并且保護(hù)手機(jī)免受±20V電壓損壞。而且，保護(hù)器件必須是雙向的、將電池電壓傳送回設(shè)備用于USB On-the-Go（OTG）檢測。為符合韓國標(biāo)準(zhǔn)，必須在電池電壓為4.35V±1%容差下設(shè)置觸發(fā)。其它地區(qū)的要求稍有不同，所以應(yīng)該始終關(guān)注細(xì)節(jié)。

現(xiàn)有的IC可以自動檢測連接至電話或其它移動平臺USB端口的設(shè)備類型，且可以區(qū)分充電器和耳機(jī)。例如，經(jīng)設(shè)計(jì)滿足中國電信標(biāo)準(zhǔn)的IC，要求過壓保 護(hù)器件包含在手機(jī)聽筒內(nèi)，以阻止來自外部充電器的潛在危險信號。這規(guī)定了支持的特性，如過壓和欠壓保護(hù)、D+/D-短路檢測（用于指示是否連接充電器或其 它裝置）、標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備連接支持，以及MOSFET開關(guān)控制。滿足這些需求的IC可以使用一個外部MOSFET或通常連同控制電路一起組合在單一封裝中 的一個或多個MOSFET來提供隔離開關(guān)功能。對于過壓或欠壓情形，一個典型的OVP （UVP）負(fù)載開關(guān)IC會監(jiān)控電壓總線，并且假若電壓讀數(shù)低于或超出指定的限值（例如，低于3.3V或高于6.0V）時，設(shè)置標(biāo)記針，同時關(guān)斷MOSFET負(fù)載開關(guān)。欠壓閉鎖（UVLO）和其它事項(xiàng)

也需要避免欠壓情形。欠壓監(jiān)測，稱為欠壓保護(hù)（Under Voltage Protection，UVP）、經(jīng)常稱為欠壓閉鎖（Under Voltage Lock Out，UVLO），用于確保一旦電池電壓低于指定的電平，系統(tǒng)以受控方式關(guān)閉，從而不會產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩，或進(jìn)入欠壓情形。用于移動、PC和其它應(yīng)用的 IC現(xiàn)在提供UVLO功能。這些現(xiàn)代IC通過使用集成MOSFET提供電源信號調(diào)節(jié)，如前所述，同時提供OVP和UVLO功能；更復(fù)雜的型款還增添了浪涌 電流限制、過電流保護(hù)（over-current protection，OCP）、反向電流保護(hù)、故障管理、轉(zhuǎn)換速率控制和熱保護(hù)功能。例如，浪涌電流限制，有助于避免元件的逐漸損壞，減少功耗，并減少 系統(tǒng)中的瞬態(tài)效應(yīng)。在某些IC中，提供了虛擬二極管來防止出現(xiàn)反向電流情形而無典型的二極管電壓降。集成故障管理允許自動重啟、電流限制閉鎖、或設(shè)置硬限 制而無需額外的硬件或軟件。由于便攜設(shè)備功能增多，導(dǎo)致了更多電能的使用，因此產(chǎn)生了更高的工作溫度，所以溫度監(jiān)測正變得更為重要，將它們集成到負(fù)載中可 以節(jié)省成本和空間。

圖2. 典型的負(fù)載開關(guān)IC結(jié)構(gòu)圖

檢測和連接

由于USB端口變得非常普遍，對于手機(jī)和其它移動平臺，它已變得方便并且是必需的，用于確定何種設(shè)備（如充電器、音頻耳機(jī)、UART（通用異步收發(fā)器）、TTY和用戶定義的附件）相連接，以及對各種信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和路由以實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)連接，提供除保護(hù)之外的所有功能?，F(xiàn)在已有在單一封裝內(nèi)提供多種功 能的IC產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都是前面提到的產(chǎn)品類型的擴(kuò)展，所以，現(xiàn)在已有一系列具備從簡單的OVP功能到包括檢測和開關(guān)的多種功能的IC產(chǎn)品。此類擴(kuò)展集的 一個很好的示例，就是多功能IC產(chǎn)品FSA9285，帶有28V OVP負(fù)載開關(guān)、3合1多媒體開關(guān)和USB附件檢測及自動配置功能，允許USB數(shù)據(jù)、充電器、音頻（立體聲和單聲道）以及UART數(shù)據(jù)共享USB端口。圖3所示為方框圖。

圖3：FSA9285集成USB IC方框圖

管理充電對于移動應(yīng)用是無法回避的現(xiàn)實(shí)。隨著設(shè)計(jì)周期的縮短，以及平板電腦、便攜式電腦、手持式游戲機(jī)、照相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、當(dāng)然還有手機(jī)等新平臺的 擴(kuò)展，對于設(shè)計(jì)人員而言至關(guān)重要的是擁有多種選擇，以便保護(hù)、檢測和連接移動設(shè)備與充電源和其它子系統(tǒng)。市場上的IC產(chǎn)品系列有助于確保移動設(shè)計(jì)安全、符 合規(guī)范、緊湊，并具有成本效益和環(huán)境友好性。