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应对中国最新标准的手机USB充电和过压保护解决方案
发布时间：2016-12-23 07:10:48 来源：大电流电感厂家 查看： 次
中国信息产业部发布的“YD/T1591-2006移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”标准已经强制执行，预计这一举措将大幅减少中国每年与新手机一起销售的电池充电器的数量，从而降低手机总体材料成本，并减少废弃电子装置带来的环境污染。
YD/T1591标准涉及两大部分，分别是移动通信手持机侧(简称“手机侧”)和充电器侧。手机侧指的是手机加上手机连接充电器直流输出端的线缆及其插头，由手机制造商提供；充电器侧指充电器及直流输出连接插座，由充电器厂商提供。
YD/T1591标准手机侧的要求主要分为三个部分，分别是手机侧连接接口电气性能要求(标准4.2.3.1)、手机侧充电连接接口及线缆要求(标准4.2.3.3、4.2.3.4)和手机侧供电装置识别(标准4.2.3.5)。本文将重点结合手机侧的要求来分析USB充电和过压保护设计策略，以及相应的解决方案。
图1：YD/T1591-2006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插件电感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1,800电感量mA，非标准充电器(如笔记本电脑的USB端口等)的最大充电电流为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电感器生产厂家路板布局，达到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”型充电解决方案的结构示意图。
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。这种解决方案的结构示意图如图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，究竟什么样的充电功率元件更合适呢？我们可以通过最坏情况来予以分析。
假定充电器(电源适配器差模电感器)提供的最低电压是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3：FETKY和双FET方案的结构示意图
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)+V一体成型电感器f 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
YD/T1591标准涉及两大部分，分别是移动通信手持机侧(简称“手机侧”)和充电器侧。手机侧指的是手机加上手机连接充电器直流输出端的线缆及其插头，由手机制造商提供；充电器侧指充电器及直流输出连接插座，由充电器厂商提供。
YD/T1591标准手机侧的要求主要分为三个部分，分别是手机侧连接接口电气性能要求(标准4.2.3.1)、手机侧充电连接接口及线缆要求(标准4.2.3.3、4.2.3.4)和手机侧供电装置识别(标准4.2.3.5)。本文将重点结合手机侧的要求来分析USB充电和过压保护设计策略，以及相应的解决方案。
图1：YD/T1591-2006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插件电感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1,800电感量mA，非标准充电器(如笔记本电脑的USB端口等)的最大充电电流为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电感器生产厂家路板布局，达到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”型充电解决方案的结构示意图。
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。这种解决方案的结构示意图如图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，究竟什么样的充电功率元件更合适呢？我们可以通过最坏情况来予以分析。
假定充电器(电源适配器差模电感器)提供的最低电压是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3：FETKY和双FET方案的结构示意图
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。
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