手机USB充电和过压保护设计策略分析

有效的过压保护解决方案

根据YD/T 1591-2006标准，手机侧充电控制电路应具备过压保护装置，也就是在手机充电接口导入直流6 V以上电压时，如果不能保证安全充电，应启动保护，在非预期电压的情况下，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象，而且恢复后，手机应能正常工作。如图4所示，过压保护(OVP)电路在检测到过压故障状况时，检测电路就会将开关打开，使电子负载与电源断开，从而使得包括微处理器、射频、存储器和电源管理器件等核心芯片遭受过压损伤。

图4 过压保护电路启用的原理示意图

在为手机充电电路提供过压保护方面，即有分立的解决方案，也有集成的解决方案。在分立式解决方案方面，其中之一就是考虑到远高于6 V的电压情形，如静电放电(ESD)，其瞬间的应力电压可能高达几千伏甚至十几千伏，这种情形下，可以施加瞬态电压抑制器(TVS)二极管，以此处理瞬变极快的过压故障。在这方面，安森美半导体的TVS二极管就非常适用。例如，在击穿电压为6.2 V时，安森美半导体的ESD5Z5.0T1.G能在几纳秒时间内就对符合IEC61000-4-2标准的高达30 kV的输入电压进行钳位，且钳位电压可高达11.6 V，从而为系统中的关键元件提供可靠的ESD保护。

另一种分立型解决方案就是将OVP驱动器与外部P-MOS配合使用。安森美半导体的NCP346就是这样一个适用的驱动电路，它能够承受高达30 V的瞬态电压。这器件设计用于感测过压状况，并快速地从负载断开输入的电压，从而防止造成损伤。NCP346包含精确的电压参考、磁滞比较器、控制逻辑以及MOSFET门驱动器。搭配OVP驱动器与外部P-MOS时，其优点在于精度高、支持Enable引脚，且下游系统可与AC-DC完全分离。但它也有其缺陷，如电流消耗高及解决方案尺寸较大等。

除了这些分立的解决方案，安森美半导体还推出了全集成的OVP解决方案。这也包括两种解决方案，其中一种是针对插墙式AC-DC适配器充电为手机提供高达2 A的电流和高达28 V的故障瞬态电压的保护，在这方面，安森美半导体的NCP348就是非常适合的选择。NCP348支持的墙式适配器和USB充电电流和电压可分别高达2 A和28 V。它支持Enable和Status /FLAG引脚，并支持6.02和6.4 V的不同过压锁定(OVLO)值。其它的优点包括下游系统可与AC-DC完全隔离和精度高等。此外，它采用极小的2×2.5 mm WDFN封装，非常适合小巧的便携应用。不过，这种方案也有其不足之处，也就是在500 μA电流的休眠模式下，不符合USB规范。这种情况下的解决之道就是采用NCP360和NCP361过压保护电路。NCP360是一款带内置PMOS FET和状态标记的USB正向过压保护控制器，它能够在检测到错误的VBUS工作条件时从输出引脚断开系统连接。这器件能够高达20 V的正向过压保护。由于集成了内部PMOS FET，无需外部元件，从而降低了系统成本，并减少了电路板占用面积。此外，在旁路设置一个1 μF或更大的电容时，这器件还能够提供ESD保护输入(15 kV空气放电)。NCP361则是一款正向过压保护和过流保护控制器。它不仅能够在检测到输入电压超过过压阀值时瞬时断开输出连接，而且得益于其过流保护能力，其集成的PMOS将在充电电流超过电流限制时关闭。

图5 集成式OVP解决方案NCP348的应用电路示意图

另一种方案针对的就是通过USB端口(VUSB引脚)来充电。这种方案的充电电流为100 mA或500 mA，休眠模式下的电流为500 μA(NCP360和NCP361)或100 μA(NCP348)。

对于过压而言，为了避免造成损伤，过压保护器件的关断时间必须尽可能地快。值得一指的是，无论是NCP360还是NCP348，与同类产品相比，其关断时间都更短。以NCP348为例，它最长需要5 μs的关断时间，而在3 V/μs 条件下，一般只需要 1.5 μs。而NCP360最长只需要1.5 μs，一般只需要0.8 μs。

总的来看，在为手机充电电路提供过压保护方面，集成式OVP是最高效的解决方案，它不仅使得下游系统可与AC-DC适配器完全隔离，而且PCB占用空间最小，并且提供多种功能，如精度高、支持Enable和Status /FLAG引脚和提供过流保护等。此外，安森美半导体还可为墙式电源适配器与USB充电解决方案提供不同的专用元件，如NCP348、NCP360和NCP361等。

　　本文小结

本文重点探讨了手机侧充电电路的充电解决方案及过压保护解决方案。作为全球领先的电源半导体及电路保护解决方案供应商，安森美半导体提供一系列的高性能充电控制和过压保护解决方案，满足客户的不同需求，帮助客户更好地开发符合信产部要求的产品，并加快上市进程。