便攜式設(shè)備充電電路的分立器件保護(hù)方案

便攜式電子系統(tǒng)往往需要通過一個墻體適配器(交流－直流轉(zhuǎn)換子系統(tǒng))利用外部電源為其內(nèi)部電池充電。如今的電池組大都采用了鋰技術(shù)，因?yàn)殇嚰夹g(shù)能減小便攜式產(chǎn)品的總重量。但另一方面，這種產(chǎn)品必須遵守嚴(yán)格的充電規(guī)則。需要注意的是，充電步驟如果出現(xiàn)問題可能會導(dǎo)致鋰離子溫度升高、熱量失控而產(chǎn)生爆炸，威脅人們的生命。要避免出現(xiàn)此類事故，首選的安全措施之一就是從外部來保護(hù)負(fù)責(zé)管理電池組充電的內(nèi)部充電器。

過壓現(xiàn)象產(chǎn)生的根源

為保證充電電壓不超出系統(tǒng)所能承受的最大額定電壓，便攜式設(shè)備和移動設(shè)備供應(yīng)商一般都會隨設(shè)備提供專用的墻體適配器。使用此類適配器就能保證AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓得到很好的控制，輸出紋波受到較好的抑制。

然而，盡管設(shè)備供應(yīng)商明確建議用戶只能使用原裝充電器，后裝配件仍然有它的市場，為旅行方便，或僅為在原裝配件壞掉后保證設(shè)備的繼續(xù)使用，用戶可能會使用第二個或者第三個墻體適配器。

根據(jù)適配器復(fù)雜度的不同，其瞬時輸出電壓有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出制造今天這些小型便攜式產(chǎn)品所采用的敏感電子器件的額定電壓。

導(dǎo)致墻體適配器輸出電壓增大的另一個可能的原因是光偶反饋的損耗(SMPS充電器)，這一故障即便在高端AC-DC市場也可能出現(xiàn)。此時，輸出電壓可能增大至20V，如果使用過壓保護(hù)器件(OVP)，可以避免系統(tǒng)中直接面對如此危險(xiǎn)的電壓。

由于適配器電纜中的串聯(lián)電感，熱插拔AD-DC轉(zhuǎn)換器也可能導(dǎo)致過壓現(xiàn)象出現(xiàn)。此時的最大紋波電壓取決于移動設(shè)備的輸入電容和電纜的寄生電感。而如果在該移動設(shè)備上增加一個OVP器件，OVP的軟啟動特性就會消除熱插拔所帶來的過沖效應(yīng)。

OVP的設(shè)計(jì)考慮

與前幾代過壓保護(hù)器件不同的是，為了節(jié)省PCB空間，新的OVP中如今集成了旁路元件(N MOSFET或 P MOSFET)。在計(jì)算雙芯片方案的PCB面積時，必須考慮器件的封裝尺寸和兩個器件之間的布線寬度。新一代OVP的PCB空間與老一代驅(qū)動＋MOSFET方案相比最多可節(jié)約60%。但是，考慮到改善因充電電流引起的散熱問題，仍必須仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB布線。安森美半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)手冊文檔中給出了焊接點(diǎn)到空氣的熱阻Rθ曲線。

此外，為了降低與芯片內(nèi)部焊盤相連的焊接點(diǎn)溫度，還必須再增加額外的銅表面。由于這個芯片內(nèi)部焊盤與NMOS的漏極相連，因此添加的額外銅表面應(yīng)連接到IN管腳或連到一個獨(dú)立的平面，而且這個銅表面絕對不能接地。

此外，過壓閾值的定義也很重要。OVLO和UVLO閾值由內(nèi)部比較器決定，當(dāng)出現(xiàn)過壓或欠壓時，內(nèi)部比較器會切斷旁路元件。

OVLO所定的電平必須高于AC-DC的最大輸出工作電壓并低于系統(tǒng)首個元件的最大額定電壓。圖1所示為一個基于全集成OVP器件的典型便攜式設(shè)備的結(jié)構(gòu)(此處的OVP采用的是NCP347MTAE)。

圖1：基于全集成OVP器件的典型便攜式設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

為保證工作的穩(wěn)定性，還必須在器件前方盡可能靠近IN管腳的地方放置一個輸入電容。該電容的特性必須與保護(hù)器件的特性一致。

首先要檢查的是該電容的直流偏置曲線，以保證其工作時所能承受的電壓高于UVLO到 OVLO這個電壓范圍。例如，假設(shè)保護(hù)器件前方需要一個1µF的陶瓷電容。

考慮到陶瓷電容的擊穿電壓(200V以上)高于保護(hù)器件的最大額定電壓(30)，因此在此類產(chǎn)品上可以使用一個10V/1 µF或16V/1µF的電容。每個電容的具體擊穿電壓取決于所用陶瓷材料的品質(zhì)。圖2給出了0603/X5R/1µF/16V這款電容的直流偏置和直流擊穿電壓。

圖2：陶瓷電容0603/X5R/1µF/16V的直流偏置和直流擊穿電壓。

主要產(chǎn)品特性

今天，我們已經(jīng)可以在很小的產(chǎn)品封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低的R_dson。例如采用2×2.5mm WDFN封裝 的NCP347，其R_dson只有110mΩ，但卻能承受高達(dá)2安培的直流電流。25℃室溫下墻體適配器到充電器之間的典型壓降為52mV。由于損耗極小，因此此類產(chǎn)品可支持低輸出電壓的墻體適配器。適配器到充電器之間的壓差越小，便攜式器件的散熱越少，對墻體適配器負(fù)載調(diào)節(jié)不佳的承受能力也越強(qiáng)。

而新型充電器結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使得內(nèi)部開關(guān)能在很低的功耗下實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。一般情況下，下游系統(tǒng)中不會出現(xiàn)瞬態(tài)過壓。在上面提到的例子中，典型的關(guān)斷時間是1µs，最長也只有5µs。

新器件上可能會增加一個用于啟動器件，或在我們希望將系統(tǒng)與墻體適配器隔離開時將其拉高就能切換到電池供電方式的“使能”管腳。另外，還可以用一個狀態(tài)管腳來監(jiān)控電壓值。當(dāng)該管腳處于開漏極輸入狀態(tài)時，必須通過一個最小為10kΩ的上拉電阻將其上拉到電池電壓。

如果將狀態(tài)管腳連到一個微控制器的輸入，并將“使能”管腳連到微控制器的輸出，就可以在器件輸入管腳上的電壓持續(xù)出問題時完全切斷OVP器件。而微控制器又可以根據(jù)狀態(tài)管腳的情況，在合適的時候接通OVP。

為新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)新方案

IC制造商們?yōu)榻鉀Q過壓問題以及有效保護(hù)他們的器件，提供了新穎的解決方案，例如安森美公司的NCP347和NCP348。由于能承受2安培的充電電流并提供高達(dá)28V的保護(hù)，而且關(guān)斷速度極快，因此這些全集成的方案基本上能滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。為了滿足不同AC-DC輸出電壓的要求，我們提供了一些OVLO閾值不同的產(chǎn)品版本。它們的R_dson、關(guān)斷時間和耗電情況都能滿足最嚴(yán)苛的要求。

值得一提的是，其中有一款產(chǎn)品兼容USB充電，特別適合新的中國充電標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的便攜式設(shè)備開始配備USB連接器，能通過USB連接器與帶USB接口的主機(jī)或墻體適配器相連實(shí)現(xiàn)充電。

作者：

Bernard Remaury

應(yīng)用工程師

安森美半導(dǎo)體公司低壓電源管理業(yè)務(wù)部