手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題及解決措施

　 引言

　　目前市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的適配器可為鋰離子電池充電并為手機(jī)系統(tǒng)提供電源，同時(shí)由于中國(guó)實(shí)施了統(tǒng)一的手機(jī)充電接口，只要相容的USB接口的連接線(xiàn)都可以為手機(jī)充電，這樣設(shè)計(jì)人員將無(wú)從得知消費(fèi)者究竟使用何種適配器為手機(jī)充電，而這些適配器的電氣規(guī)格會(huì)因?yàn)橹圃焐痰牟煌鳟悾瑫r(shí)由于半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，手機(jī)平臺(tái)的主頻和集成度越來(lái)越高，芯片面積越來(lái)越小，但平臺(tái)芯片的耐壓也隨之降低，這些都為設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，要求設(shè)計(jì)人員必須設(shè)計(jì)出一個(gè)針對(duì)不同手機(jī)平臺(tái)在使用不同適配器的情況下均能滿(mǎn)足安全性和可靠性要求的手機(jī)充電系統(tǒng)。本文首先討論手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的一些主要問(wèn)題，然后針對(duì)這些問(wèn)題提出了對(duì)應(yīng)的措施，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

　　手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

　　手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題有輸入過(guò)壓、如何兼容諾基亞適配器、不同要求的手機(jī)充電系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)以及手機(jī)充電系統(tǒng)外圍器件的布局及PCB布線(xiàn)考慮等。

　　輸入過(guò)壓及過(guò)壓保護(hù)

　　導(dǎo)致輸入過(guò)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(guó)家的電網(wǎng)不穩(wěn)導(dǎo)致適配器的輸出電壓隨市電電壓變化、適配器熱插拔或負(fù)載瞬態(tài)變化時(shí)引起的瞬態(tài)過(guò)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(shí)的瞬態(tài)是引起輸入過(guò)壓最常見(jiàn)的情況。

　　目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的適配器根據(jù)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(guò)內(nèi)部電路提供非常優(yōu)秀的線(xiàn)性調(diào)整率(Line Regulation)和負(fù)載調(diào)整率(Load Regulation)，而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓取決于負(fù)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(fù)載的關(guān)系曲線(xiàn)圖?！　?/P>

圖1: 穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓適配器的負(fù)載曲線(xiàn)圖。

　　而在適配器熱插拔時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)的過(guò)壓電壓，由于適配器連接線(xiàn)的寄生電感效應(yīng)，熱插拔時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的輸出振蕩波形，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的衰減后會(huì)穩(wěn)定在DC值。圖2為5.5V適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)波形，通常適配器熱插拔時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)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(shí)的瞬態(tài)過(guò)壓波形。

　　隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，手機(jī)平臺(tái)的集成度和主頻越來(lái)越高，芯片面積越來(lái)越小，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是平臺(tái)芯片的耐壓也隨之降低。早期平臺(tái)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(shí)的瞬態(tài)過(guò)壓手機(jī)平臺(tái)是可以承受的。而采用先進(jìn)工藝制程的手機(jī)平臺(tái)由于集成度高，耐壓低，前面所述的電壓直接加到手機(jī)平臺(tái)芯片上就有可能會(huì)引起芯片的損傷，所以采用先進(jìn)工藝制程的手機(jī)平臺(tái)就要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)用時(shí)需要在適配器和手機(jī)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的充電模塊之間增加一個(gè)輸入過(guò)壓保護(hù)(OVP)芯片，防止適配器輸出的過(guò)高電壓對(duì)手機(jī)平臺(tái)芯片產(chǎn)生損傷。例如MTK的早期手機(jī)平臺(tái)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(guò)高輸出電壓對(duì)手機(jī)平臺(tái)芯片產(chǎn)生損傷。

　　對(duì)于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要和早期的幾個(gè)手機(jī)平臺(tái)芯片的耐壓相同就可以了，因?yàn)樵缙诘氖謾C(jī)平臺(tái)芯片已經(jīng)大批量出貨，在市場(chǎng)的長(zhǎng)期應(yīng)用驗(yàn)證了其耐壓的安全性和可靠性，所以對(duì)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(jīng)足夠了。

　　出于充電時(shí)的安全考慮，手機(jī)平臺(tái)一般會(huì)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(jī)充電模塊是不允許充電的，另外由于國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的充電接口標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，適配器的DC輸出電壓大多集中在5～6V，針對(duì)國(guó)內(nèi)適配器的特點(diǎn)，OVP芯片主要是為了避免適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)沖對(duì)手機(jī)平臺(tái)芯片的累計(jì)性損傷。　　

圖3： 適用于國(guó)內(nèi)適配器的單芯片手機(jī)充電系統(tǒng)方案 。

　　而上海艾為的AW3206就是一款能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)手機(jī)充電系統(tǒng)要求的OVP芯片。AW3206的OVP保護(hù)電壓為6.8V，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國(guó)內(nèi)手機(jī)充電系統(tǒng)。對(duì)于熱插拔的瞬態(tài)過(guò)壓，AW3206的100ns過(guò)壓保護(hù)反應(yīng)時(shí)間能確保手機(jī)充電系統(tǒng)的安全。AW3206高達(dá)±8KV(HBM)的ESD保護(hù)和±450mA的Latch-up保護(hù)都是增加手機(jī)充電系統(tǒng)的安全性和可靠性的有力基礎(chǔ)。

　　為了增加手機(jī)充電系統(tǒng)的安全性和可靠性，AW3206具有以下特點(diǎn)：

　　1、6.8V的輸入保護(hù)電壓，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國(guó)內(nèi)手機(jī)充電系統(tǒng);

　　2、集成K-Charge技術(shù)的輸入限流保護(hù)，既能在芯片溫度低的時(shí)候保證比較大的充電電流，又能在芯片結(jié)溫太高時(shí)智能調(diào)整輸出電流來(lái)限制結(jié)溫，性能與安全兼顧;

　　3、集成具有防反灌功能的充電P-MOSFET，既節(jié)省成本，又可防止待機(jī)時(shí)電池電流反灌;

　　4、鋰離子電池過(guò)壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。

　　兼容諾基亞適配器的手機(jī)充電系統(tǒng)面臨的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

　　根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner在今年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，諾基亞在全球的市場(chǎng)占有率為34.2%，仍是手機(jī)中第一大巨頭，而且在某些新興市場(chǎng)國(guó)家諾基亞的市場(chǎng)占有率更高，比如IDC的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示諾基亞2009年底在印度的市場(chǎng)占有率高達(dá)54%。由于諾基亞手機(jī)的普遍性，諾基亞適配器也是唾手可得，所以可兼容Nokia適配器的充電系統(tǒng)是設(shè)計(jì)人員需要考慮的?！　?/P>

圖4： 諾基亞適配器AC-3C的輸出特性曲線(xiàn)。

　　但在標(biāo)準(zhǔn)的諾基亞適配器中，有很大一部分適配器的輸出電壓是高于7V的，圖3是諾基亞適配器AC-3C的輸出特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出， AC-3C的輸出電壓在空載時(shí)為7.5V，而有的諾基亞充電器的輸出電壓會(huì)高達(dá)8～9V。為了適應(yīng)諾基亞適配器，曾有如圖5所示的用高壓LDO設(shè)計(jì)的手機(jī)充電系統(tǒng)方案：　　

圖5： 針對(duì)諾基亞適配器的手機(jī)充電系統(tǒng)方案。

　　但這個(gè)方案會(huì)有一些問(wèn)題，首先高壓LDO由于工藝尺寸較大(為了承受高輸入電壓)，導(dǎo)通電阻RDS(ON)會(huì)比較大，諾基亞適配器的輸出電壓會(huì)隨輸出電流增大而逐漸降低，充電電流越大，輸出電壓越低，過(guò)大的LDO導(dǎo)通電阻會(huì)使電壓進(jìn)一步降低，而LDO后面的充電模塊也有一定的導(dǎo)通壓降，這樣就可能會(huì)有加到電池上的電壓太低而使電池充不滿(mǎn)的情況。另外LDO多采用SOT23-5L的封裝形式，高輸入電壓充電時(shí)在LDO內(nèi)部的功耗比較大，散熱會(huì)存在問(wèn)題。沒(méi)有OVP保護(hù)功能、整個(gè)方案的占板面積大、成本高也都是這個(gè)方案的缺點(diǎn)，所以一個(gè)適用于諾基亞適配器的單芯片手機(jī)充電系統(tǒng)方案是設(shè)計(jì)人員迫切需要的?！　?/P>

圖6： 適用于諾基亞適配器的單芯片手機(jī)充電系統(tǒng)方案。

　　而上海艾為推出的降壓OVP——AW3208是專(zhuān)門(mén)針對(duì)諾基亞適配器推出的一款OVP芯片。AW3208的OVP電壓高達(dá)10.5V，對(duì)于輸出電壓在8～9V的諾基亞適配器，AW3208工作在降壓的LDO模式，輸出給手機(jī)平臺(tái)充電模塊的電壓為5.25V(CHRIN電壓)，保證手機(jī)平臺(tái)的充電模塊可以正常充電，而對(duì)于輸出電壓在5～6V的適配器，AW3208的輸出模式為直通模式，盡可能的減小導(dǎo)通壓降，即使使用輸出電壓比較低的適配器，也確保能把電池充滿(mǎn)。

　　對(duì)于輸出電壓比較高的適配器，工作在LDO模式的AW3208充電時(shí)內(nèi)部功耗會(huì)比較大，除了具備過(guò)溫保護(hù)功能和過(guò)流限流功能外，AW3208還集成了創(chuàng)新的K-Charge技術(shù)，充電時(shí)會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)芯片的結(jié)溫，芯片結(jié)溫升高到一定值后若繼續(xù)升高，則芯片會(huì)減小輸出電流以限定芯片內(nèi)部功耗，盡量避免芯片結(jié)溫繼續(xù)升高至進(jìn)入反復(fù)的過(guò)熱保護(hù)狀態(tài)，從而解決不能充電或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

　　另外基于安全性和可靠性的考慮，AW3208具備AW3206具備的其他所有功能和特點(diǎn)。

　　針對(duì)不同應(yīng)用的手機(jī)充電系統(tǒng)兼容性設(shè)計(jì)考慮

　　針對(duì)不同的應(yīng)用，手機(jī)充電系統(tǒng)的要求是不同的，有時(shí)可能還是彼此矛盾的。比如為了適應(yīng)諾基亞適配器，需要OVP芯片的OVP電壓要高于9V。但在中國(guó)國(guó)內(nèi)，若適配器的輸出電壓過(guò)高的話(huà)，國(guó)內(nèi)的手機(jī)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證要求手機(jī)充電系統(tǒng)不能充電而處于保護(hù)狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員在面對(duì)這兩種矛盾的要求時(shí)，往往只能設(shè)計(jì)兩套不同的方案，如果有一種方案能同時(shí)兼容這兩種矛盾的要求，對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)這個(gè)方案無(wú)疑是最佳的一個(gè)方案。

　　由于AW3206和AW3208引腳分布完全相同，同時(shí)從應(yīng)用的角度來(lái)看，兩顆芯片只是OVP電壓不同，外圍器件和原理圖完全相同(見(jiàn)圖3和圖6)，而且對(duì)手機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，軟件控制也是完全相同，所以AW3206和AW3208剛好通過(guò)一個(gè)兼容設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足上面的兩個(gè)矛盾的要求。

　　對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)手機(jī)充電系統(tǒng)時(shí)，可先按圖3或圖6設(shè)計(jì)好原理圖和PCB的Layout，設(shè)計(jì)好后只需更改BOM而不要更改PCB就可以滿(mǎn)足不同的要求了。

　　手機(jī)充電系統(tǒng)OVP芯片外圍器件的選取及PCB布局布線(xiàn)的一些考慮

　　1、 輸入電容和輸出電容的選取

　　AW3206和AW3208的輸入引腳ACIN到地需要一個(gè)不小于1uF的輸入電容。這個(gè)輸入電容除了去耦外，還可以有效減小適配器在熱插拔時(shí)由于連接線(xiàn)的寄生電感效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)沖電壓。另外這個(gè)電容建議選取耐壓不低于15V的X7R或X5R陶瓷電容。

　　AW3206和AW3208同樣在輸出引腳CHRIN到地需要一個(gè)輸出去耦合電容。這個(gè)電容對(duì)于AW3208尤其重要，因?yàn)檩敵鲭娙輰?duì)工作在LDO模式的AW3208的輸出穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，缺少這個(gè)電容CHRIN引腳的輸出電壓將會(huì)有可能振蕩。這里推薦選取耐壓為6.3V，電容值不小于1uF的X7R或X5R陶瓷電容。

　　2、 PCB布局和布線(xiàn)的一些考慮和建議

　　PCB布局時(shí)需要考慮輸入引腳ACIN和輸出引腳CHRIN到地的輸入電容和輸出電容應(yīng)盡可能靠近ACIN和CHRIN引腳，電容的焊盤(pán)和引腳之間應(yīng)直接用一層走線(xiàn)，避免通過(guò)通孔用兩層走線(xiàn)。

　　PCB布線(xiàn)需要考慮從ACIN引腳至充電接口的走線(xiàn)、OUT引腳到采樣電流電阻的走線(xiàn)以及采樣電阻到電池的走線(xiàn)在滿(mǎn)足充電電流密度的基礎(chǔ)上盡量寬，盡可能的減小走線(xiàn)的寄生電阻。

　　為了獲得更好的散熱性能，AW3206/AW3208的散熱片應(yīng)和GND引腳一起直接連接到PCB的大面積鋪地層上，同時(shí)在散熱片下面的鋪地層再打上盡可能多的通孔，用通孔將所有鋪地層連接在一起，通過(guò)通孔和大面積的鋪地層減小熱阻，提高散熱性能。

　　總結(jié)

　　本文討論了手機(jī)充電系統(tǒng)中面臨的一些問(wèn)題，并對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足更穩(wěn)定、更可靠要求的手機(jī)充電系統(tǒng)，使其產(chǎn)品能在眾多的產(chǎn)品中獨(dú)樹(shù)一幟，而不是“泯然眾人”