手機USB充電所面臨的綠色挑戰(zhàn)

　　誰能想到手機產(chǎn)業(yè)會影響環(huán)境?當你在思考如何減少生態(tài)污染時，想到的可能是改變汽車設(shè)計，或使用綠色能源，根本不會是手機。然而，我們確實看到手機充電器對環(huán)境造成了很大的影響。手機行業(yè)已經(jīng)開始使用通用充電解決方案(UCS)來解決這個問題，UCS將改變手機制造商設(shè)計手機的方式。本文將對實現(xiàn)安全充電接口需要考慮的因素加以分析。

　　一個手機用戶一年會產(chǎn)生約17公斤的二氧化碳，相當于汽車行駛111公里。這個數(shù)字不是很大，在保護環(huán)境方面似乎不是優(yōu)先考慮的對象。然而，如果換一個角度看，你會發(fā)現(xiàn)，去年全球手機出貨量達12億部，每一部手機都有自己專用的充電器。在這12億部手機中，估計有5億部是替代性手機。拿到一部新手機通常都會讓人興奮不已，但人們對更換充電器顯然沒有任何興趣。當你認識到手機更新?lián)Q代的周期平均是18個月，而大多數(shù)手機都有專用充電器(包括同一個牌子的手機)，那么對家里冒出3到4個沒用的手機充電器就不會感到奇怪了。事實上，以前的充電器適用于新手機的概率只有10%左右。

　　這也是我們開始看到政府和機構(gòu)以及手機產(chǎn)業(yè)中的著名企業(yè)成立專門組織來減少這種浪費的原因了。

　　中國信產(chǎn)部在2006年12月頒布了一份新的標準，即YD/T 1591-2006，旨在標準化墻式充電器和連接電纜。在中國市場上發(fā)布的每部新手機都必須經(jīng)過認證以符合這一標準要求。

　　2009年2月在巴塞羅納舉行的最近一次移動世界大會上取得了另外一項重大進展，即GSMA(包括5家全球最大的手機制造商)和17家手機運營商一致同意在2012年前提供使用微型USB連接器的通用充電解決方案(UCS)。

　　這一行動將有望消除高達51,000噸無用的手機充電器。假設(shè)手機充電器的生產(chǎn)量每年會削減兩成，那么這個產(chǎn)業(yè)每年有望減少1,300～22,00萬噸的溫室效應氣體。

　　除了對生態(tài)有明顯影響外，當你周末與家人一起出去度假時你就不再需要攜帶兩三個充電器了，你完全可以找某個人借一個充電器給你的手機充電。

　　標準化

　　然而，為了使UCS取得成功，對手機制造商的第一個要求是其對通過USB對電池充電的標準表示贊同。于2007年8月8日頒布的電池充電規(guī)范1.0版本，規(guī)定了便攜式設(shè)備從USB專用充電器獲取電流的限制和檢測機制。中國通信標準YD/T 1591-2006對在中國發(fā)布的手機也提出了同樣的要求。

　　手機需要檢測并判斷插入的是一個USB充電器還是另一個進行數(shù)據(jù)交換的終端(如計算機、其他手機等)。為了做到這一點，D+和D-在USB充電器內(nèi)被短路(通過一個必須小于200Ω的電阻RDCHGR_DAT)。如果有個設(shè)備通過USB端口連接到手機，D+線將被驅(qū)動到VDAT_SRC電壓，吸收電流為IDAT_SRC。如果在D-線上檢測到一個特定電壓(取決于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC)，即意味著手機連到了USB充電器。

　　上述電池充電規(guī)范規(guī)定充電器最大輸出電流必須是1.5A，充電器最大輸出電壓必須是5.25V。中國的YD/T 1591-2006規(guī)定充電器最大輸出電流為1.8A。

　　主要挑戰(zhàn)在于保護

　　然而，主要挑戰(zhàn)還不是如今已有完善規(guī)定的電池充電標準，而是USB充電器的質(zhì)量。事實上，一部昂貴的智能手機可能被連接到一個質(zhì)量很差的USB充電器，比如沒有充電監(jiān)視、沒有保護、噪聲很大等等。如果手機被外部充電器弄壞用戶是不能接受的，而且可以肯定的是，如果某個品牌的手機很容易因充電而損壞，那么這個手機牌子給人的印象會大打折扣。

　　因此，由于手機制造商再無法控制墻式充電器的質(zhì)量，因此他們需要將保護電路直接安裝在終端內(nèi)部。保護手機要比保護充電器更具挑戰(zhàn)性，原因有兩個：

　　1. 由于已經(jīng)集成了數(shù)百項功能，手機的PCB尺寸大大減少。保護裝置的厚度必須適合超薄手機(總共才7mm厚)或翻蓋手機。

　　2. 保護裝置不能影響手機本身的性能，因此漏電流必須非常低。

　　為了選擇合適的保護器件，手機設(shè)計師必須對連接到USB端口的內(nèi)部充電電路進行風險評估。

　　第一個人們熟知的風險是靜電放電(ESD)。ESD可能在任何時間發(fā)生，無論手機是否在充電。用戶只要觸摸USB連接器，就可能向USB電路引入高達30kV的ESD浪涌電壓。很多設(shè)計師已經(jīng)知道，USB端口必須用能夠承受至少IEC61000-4-2標準中4級浪涌電壓(8kV接觸放電)的器件進行保護，對于他們來說，這并不是新的風險。市場上大量的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管足以用來減輕這個風險。

　　F1: 發(fā)生器輸出端的短路電流波形(8/20μs)

　　然而，如果我們認為不能依賴于USB充電器的質(zhì)量，那么第二個風險隨之而來：手機被直接連到室內(nèi)的輸電線，因此很容易受到這些輸電線上出現(xiàn)的任何浪涌電壓的侵襲。這是設(shè)計師需要考慮的新的因素。在室內(nèi)輸電線上出現(xiàn)的主要干擾源有：

　　1. 由于工業(yè)事件(附近的車間，工廠等)或外部中高壓電源線上的動作(電源分配網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)等)引起的浪涌電壓。

　　2. 由于閃電引起的浪涌電壓。

　　最危險的是經(jīng)常發(fā)生的閃電浪涌。因為閃電在輸電線上引起的浪涌電壓不只是在很少發(fā)生的房屋直接遭受雷擊時才會感應到。事實上，每次閃電擊中電源線或僅僅擊中電源線附近的大地時，都會在(掩埋的)地線上產(chǎn)生增壓。這個波(電壓和電流)會通過電源線快速傳播，并穿過中心電站中的各個保護設(shè)備，甚至家庭的分電箱。然后，一個殘留的浪涌電壓會直接傳送到插著手機的電源插座上。

　　這個殘留浪涌電壓被表征為與雷擊波形相關(guān)的尖峰di/dt。大量實驗和測量已經(jīng)將這樣的浪涌電流模型化為下面的波形，在IEC61000-4-5中被定義為8/20μs脈沖。

　　在電流峰值的10%和90%之間的電流上升時間被規(guī)定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。

　　對設(shè)計使用低電壓和低電流工作的電子設(shè)備來說這種過電流確實非常危險。一個好的保護裝置必須能夠通過地(GND)吸收掉這個過電流，并保持一個低的箝位電壓，從而保護充電電路不受損壞。

　　這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強大，對設(shè)計師來說是一個更艱巨的挑戰(zhàn)。

　　在法國(55萬平方公里)，每年有100萬次雷擊擊中大地!因此這種現(xiàn)象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內(nèi)擊中房屋周圍幾公里內(nèi)的一棵樹或地面的概率接近100%。

　　家用電器不太容易遭受這些浪涌的侵害，但電子設(shè)備卻很容易。計算機、電視機等家電在設(shè)計時就考慮到了要插入輸電線，因此都有完善的保護。其他便攜式設(shè)備則采用帶有合適保護裝置的專用充電器，或通過可拆裝電池供電。但是，如果一個通用充電器出于成本原因不能有效防止這種浪涌電壓，那么手機就很容易在充電時受損。

　　由于工業(yè)事件或中高壓電源線上的開關(guān)動作而引起的浪涌電壓，也可以模型化為8/20μs波形，但峰值電流會低一些。它們發(fā)生的概率也是很高的。

　　第二個挑戰(zhàn)是保護器件上的功耗。能夠保護設(shè)備免受8/20μs之類浪涌電壓傷害的TVS二極管到處都有，但它們的漏電流可能高達20μA。通過一個很簡單的計算可以發(fā)現(xiàn)，對于一個擁有1,000mAh的電池和400小時待機時間的手機來說，在偏置線上增加這樣一個器件將使待機時間縮短大約1%!

　　解決方案建議

　　設(shè)計師要在保護器件微型化、浪涌電壓下的效率，以及功耗之間做出艱難的權(quán)衡。

　　圖2是手機的一個典型拓撲例子，它在上述三個參數(shù)之間提供了可接受的折衷方案：

　　F2：USB的VBUS線采用的保護拓撲例子

　　TVS二極管連接在充電器IC和USB連接器之間。TVS二極管越靠近連接器，ESD性能就越好。事實上，由造成電壓增加(V=Ldi/dt)的PCB金屬走線引起的ESD事件和保護電路之間的寄生電感也能被最小化。這種二極管可以承受30kV的接觸放電電壓(IEC61000-4-2)。對于這種應用來說，8/20μs的性能很關(guān)鍵。在這種情況下，為了保護充電器芯片，二極管將吸收27A的峰值脈沖電流(IPP)到GND。這意味著，到達插座和USB充電器的浪涌電流可能達27A，這個電流將被GND吸收，而不會損壞TVS二極管或充電電路。充電器芯片見到的電壓在遭受浪涌期間(數(shù)十毫秒)不會超過18.5V，因此不會對芯片的完整性造成影響?？偟姆逯得}沖功率約500W。

　　如果出于任何理由，將TVS二極管連接到VBAT或另外一條永久偏置線，那么TVS二極管的漏電流必須非常低。這種解決方案的漏電流為0.5μA時可以滿足便攜式設(shè)備的要求。

　　最后，解決方案的占位面積必須非常小，以便在已經(jīng)集成了許多功能和許多芯片的PCB上得以實現(xiàn)。ESDA8V2-1MX2采用1.0mmx1.45mm的微型QFN封裝，最大厚度只有0.6mm。