有關(guān)手機充電系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)及解決方案

引言

目前市場上有多種類型的適配器可為鋰離子電池充電并為手機系統(tǒng)提供電源，同時由于中國實施了統(tǒng)一的手機充電接口，只要兼容的USB接口的連接線都可以為手機充電，這樣設(shè)計人員將無從得知消費者究竟使用何種適配器為手機充電，而這些適配器的電氣規(guī)格會因為制造商的不同而各異，同時由于半導(dǎo)體工藝的不斷進步，手機平臺的主頻和集成度越來越高，芯片面積越來越小，但平臺芯片的耐壓也隨之降低，這些都為設(shè)計人員提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，要求設(shè)計人員必須設(shè)計出一個針對不同手機平臺在使用不同適配器的情況下均能滿足安全性和可靠性要求的手機充電系統(tǒng)。本文首先討論手機充電系統(tǒng)面臨的一些主要問題，然后針對這些問題提出了對應(yīng)的措施，以幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

手機充電系統(tǒng)面臨的主要問題及應(yīng)對措施

手機充電系統(tǒng)面臨的主要問題有輸入過壓、如何兼容諾基亞適配器、不同要求的手機充電系統(tǒng)兼容設(shè)計以及手機充電系統(tǒng)外圍器件的布局及PCB布線考慮等。

輸入過壓及過壓保護

導(dǎo)致輸入過壓的原因有很多，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、適配器熱插拔或負載瞬態(tài)變化時引起的瞬態(tài)過壓等。使用非穩(wěn)壓的或者不正確的適配器和適配器熱插拔時的瞬態(tài)是引起輸入過壓最常見的情況。

目前市場上常見的適配器根據(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內(nèi)部電路提供非常優(yōu)秀的線性調(diào)整率(Line Regulation)和負載調(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載的關(guān)系曲線圖。



圖1：穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓適配器的負載曲線圖。

而在適配器熱插拔時，也會出現(xiàn)瞬態(tài)的過壓電壓，由于適配器連接線的寄生電感效應(yīng)，熱插拔時會產(chǎn)生瞬態(tài)的輸出振蕩波形，經(jīng)過一段時間的衰減后會穩(wěn)定在DC值。圖2為5.5V適配器熱插拔時的瞬態(tài)波形，通常適配器熱插拔時產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓峰值電壓是其DC值的兩倍左右。



圖2：直流輸出為5.5V的AC適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓波形[!--empirenews.page--]

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步，手機平臺的集成度和主頻越來越高，芯片面積越來越小，隨之帶來的問題是平臺芯片的耐壓也隨之降低。早期平臺的耐壓比較高，非穩(wěn)壓適配器的空載輸出電壓或者適配器熱插拔時的瞬態(tài)過壓手機平臺是可以承受的。而采用先進工藝制程的手機平臺由于集成度高，耐壓低，前面所述的電壓直接加到手機平臺芯片上就有可能會引起芯片的損傷，所以采用先進工藝制程的手機平臺就要求設(shè)計人員應(yīng)用時需要在適配器和手機平臺對應(yīng)的充電模塊之間增加一個輸入過壓保護(OVP)芯片，防止適配器輸出的過高電壓對手機平臺芯片產(chǎn)生損傷。例如MTK的早期手機平臺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，以防止適配器的過高輸出電壓對手機平臺芯片產(chǎn)生損傷。

對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要和早期的幾個手機平臺芯片的耐壓相同就可以了，因為早期的手機平臺芯片已經(jīng)大批量出貨，在市場的長期應(yīng)用驗證了其耐壓的安全性和可靠性，所以對于增加的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。

出于充電時的安全考慮，手機平臺一般會限制充電電壓在7V以下，適配器輸出電壓高于7V若直接接到手機充電模塊是不允許充電的，另外由于國內(nèi)統(tǒng)一的充電接口標(biāo)準(zhǔn)的實施，適配器的DC輸出電壓大多集中在5～6V，針對國內(nèi)適配器的特點，OVP芯片主要是為了避免適配器熱插拔時的瞬態(tài)過沖對手機平臺芯片的累計性損傷。


圖3：適用于國內(nèi)適配器的單芯片手機充電系統(tǒng)方案。

而上海艾為的AW3206就是一款能滿足國內(nèi)手機充電系統(tǒng)要求的OVP芯片。AW3206的OVP保護電壓為6.8V，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國內(nèi)手機充電系統(tǒng)。對于熱插拔的瞬態(tài)過壓，AW3206的100ns過壓保護反應(yīng)時間能確保手機充電系統(tǒng)的安全。AW3206高達±8KV(HBM)的ESD保護和±450mA的Latch-up保護都是增加手機充電系統(tǒng)的安全性和可靠性的有力基礎(chǔ)。

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

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

2、集成K-Charge技術(shù)的輸入限流保護，既能在芯片溫度低的時候保證比較大的充電電流，又能在芯片結(jié)溫太高時智能調(diào)整輸出電流來限制結(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，又可防止待機時電池電流反灌；

4、鋰離子電池過壓保護和過溫保護。

兼容諾基亞適配器的手機充電系統(tǒng)面臨的問題及應(yīng)對措施

根據(jù)市場研究機構(gòu)Gartner在今年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，諾基亞在全球的市場占有率為34.2%，仍是手機中第一大巨頭，而且在某些新興市場國家諾基亞的市場占有率更高，比如IDC的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示諾基亞2009年底在印度的市場占有率高達54%。由于諾基亞手機的普遍性，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)計人員需要考慮的。



圖4：諾基亞適配器AC-3C的輸出特性曲線。[!--empirenews.page--]

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，從圖中可以看出， AC-3C的輸出電壓在空載時為7.5V，而有的諾基亞充電器的輸出電壓會高達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)計的手機充電系統(tǒng)方案：



圖5：針對諾基亞適配器的手機充電系統(tǒng)方案。

但這個方案會有一些問題，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)會比較大，諾基亞適配器的輸出電壓會隨輸出電流增大而逐漸降低，充電電流越大，輸出電壓越低，過大的LDO導(dǎo)通電阻會使電壓進一步降低，而LDO后面的充電模塊也有一定的導(dǎo)通壓降，這樣就可能會有加到電池上的電壓太低而使電池充不滿的情況。另外LDO多采用SOT23-5L的封裝形式，高輸入電壓充電時在LDO內(nèi)部的功耗比較大，散熱會存在問題。沒有OVP保護功能、整個方案的占板面積大、成本高也都是這個方案的缺點，所以一個適用于諾基亞適配器的單芯片手機充電系統(tǒng)方案是設(shè)計人員迫切需要的。



圖6：適用于諾基亞適配器的單芯片手機充電系統(tǒng)方案。

而上海艾為推出的降壓OVP——AW3208是專門針對諾基亞適配器推出的一款OVP芯片。AW3208的OVP電壓高達10.5V，對于輸出電壓在8～9V的諾基亞適配器，AW3208工作在降壓的LDO模式，輸出給手機平臺充電模塊的電壓為5.25V(CHRIN電壓)，保證手機平臺的充電模塊可以正常充電，而對于輸出電壓在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。

對于輸出電壓比較高的適配器，工作在LDO模式的AW3208充電時內(nèi)部功耗會比較大，除了具備過溫保護功能和過流限流功能外，AW3208還集成了創(chuàng)新的K-Charge技術(shù)，充電時會持續(xù)監(jiān)測芯片的結(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)升高至進入反復(fù)的過熱保護狀態(tài)，從而解決不能充電或充電時間過長的問題。

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。

針對不同應(yīng)用的手機充電系統(tǒng)兼容性設(shè)計考慮

針對不同的應(yīng)用，手機充電系統(tǒng)的要求是不同的，有時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。但在中國國內(nèi)，若適配器的輸出電壓過高的話，國內(nèi)的手機認證實驗室的認證要求手機充電系統(tǒng)不能充電而處于保護狀態(tài)。設(shè)計人員在面對這兩種矛盾的要求時，往往只能設(shè)計兩套不同的方案，如果有一種方案能同時兼容這兩種矛盾的要求，對設(shè)計人員來說這個方案無疑是最佳的一個方案。

由于AW3206和AW3208引腳分布完全相同，同時從應(yīng)用的角度來看，兩顆芯片只是OVP電壓不同，外圍器件和原理圖完全相同(見圖3和圖6)，而且對手機平臺來說，軟件控制也是完全相同，所以AW3206和AW3208剛好通過一個兼容設(shè)計來滿足上面的兩個矛盾的要求。

對于設(shè)計人員來說，設(shè)計手機充電系統(tǒng)時，可先按圖3或圖6設(shè)計好原理圖和PCB的Layout，設(shè)計好后只需更改BOM而不要更改PCB就可以滿足不同的要求了。

手機充電系統(tǒng)OVP芯片外圍器件的選取及PCB布局布線的一些考慮

1、輸入電容和輸出電容的選取

AW3206和AW3208的輸入引腳ACIN到地需要一個不小于1uF的輸入電容。這個輸入電容除了去耦外，還可以有效減小適配器在熱插拔時由于連接線的寄生電感效應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)過沖電壓。另外這個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到地需要一個輸出去耦合電容。這個電容對于AW3208尤其重要，因為輸出電容對工作在LDO模式的AW3208的輸出穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，缺少這個電容CHRIN引腳的輸出電壓將會有可能振蕩。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布局和布線的一些考慮和建議

PCB布局時需要考慮輸入引腳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，電容的焊盤和引腳之間應(yīng)直接用一層走線，避免通過通孔用兩層走線。

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

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，通過通孔和大面積的鋪地層減小熱阻，提高散熱性能。

本文小結(jié)

本文討論了手機充電系統(tǒng)中面臨的一些問題，并對這些問題提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，以幫助設(shè)計人員設(shè)計出能滿足更穩(wěn)定、更可靠要求的手機充電系統(tǒng)，使其產(chǎn)品能在眾多的產(chǎn)品中獨樹一幟，而不是“泯然眾人”。