有关手机充电系统设计挑战及解决方案

电源招聘专家 有关手机充电系统设计挑战及解决方案有关手机充电系统设计挑战及解决方案 引言引言 目前市场上有多种类型的适配器可为锂离子电池充电并为手机系统提供电源 同时由于中 国实施了统一的手机充电接口 只要兼容的 USB 接口的连接线都可 以为手机充电 这样 设计人员将无从得知消费者究竟使用何种适配器为手机充电 而这些适配器的电气规格会 因为制造商的不同而各异 同时由于半导体工艺的不断 进步 手机平台的主频和集成度越 来越高 芯片面积越来越小 但平台芯片的耐压也随之降低 这些都为设计人员提出了严 峻的挑战 要求设计人员必须设计出一个 针对不同手机平台在使用不同适配器的情况下均 能满足安全性和可靠性要求的手机充电系统 本文首先讨论手机充电系统面临的一些主要 问题 然后针对这些问题提出了对应的措施 以帮助设计人员应对这些挑战 手机充电系统面临的主要问题及应对措施 手机充电系统面临的主要问题有输入过压 如何兼容诺基亚适配器 不同要求的手机充电 系统兼容设计以及手机充电系统外围器件的布局及 PCB 布线考虑等 输入过压及过压保护 导致输入过压的原因有很多 如使用非稳压的或者不正确的适配器 某些国家的电网不稳 导致适配器的输出电压随市电电压变化 适配器热插拔或负载瞬态变化时引起的瞬态过压 等 使用非稳压的或者不正确的适配器和适配器热插拔时的瞬态是引起输入过压最常见的 情况 目前市场上常见的适配器根据特性可划分为两种 稳压适配器和非稳压适配器 稳压适配 器的输出电压通过内部电路提供非常优秀的线性调整率 Line Regulation 和负载调整率 Load Regulation 而非稳压适配器所提供的输出电压取决于负载 图1为典型的非稳压适配器和 稳压适配器的输出电压与负载的关系曲线图 图1 稳压与非稳压适配器的负载曲线图 而在适配器热插拔时 也会出现瞬态的过压电压 由于适配器连接线的寄生电感效应 热 插拔时会产生瞬态的输出振荡波形 经过一段时间的衰减后会稳定在 DC 值 图2为5 5V 适 配器热插拔时的瞬态波形 通常适配器热插拔时产生的瞬态过压峰值电压是其 DC 值的两 倍左右 电源招聘专家 图2 直流输出为5 5V 的 AC 适配器热插拔时的瞬态过压波形 随着半导体工艺的不断进步 手机平台的集成度和主频越来越高 芯片面积越来越小 随 之带来的问题是平台芯片的耐压也随之降低 早期平台的耐压比较 高 非稳压适配器的空 载输出电压或者适配器热插拔时的瞬态过压手机平台是可以承受的 而采用先进工艺制程 的手机平台由于集成度高 耐压低 前面所述的电压 直接加到手机平台芯片上就有可能会 引起芯片的损伤 所以采用先进工艺制程的手机平台就要求设计人员应用时需要在适配器 和手机平台对应的充电模块之间增加一 个输入过压保护 OVP 芯片 防止适配器输出的过 高电压对手机平台芯片产生损伤 例如 MTK 的早期手机平台 MT6305 5318 展讯的 SC6600L 的充电引脚最高可承受电压为15V 高通的 QSC6240 6270的充电引脚最高可承受 电压为18V 均不要求增加 OVP 芯片 而 MTK 的 MT6223 6235 6238 6253由于充电引脚最 高可承受电压只有9V 所以就要求增加 OVP 芯片 以防止适配器的过高输出电压对手机平 台芯 片产生损伤 对于增加的 OVP 芯片 其可承受的最高耐压只要和早期的几个手机平台芯片的耐压相同就 可以了 因为早期的手机平台芯片已经大批量出货 在市场的长期应用验证了其耐压的安 全性和可靠性 所以对于增加的 OVP 芯片 其可承受的最高耐压只要在15V 以上就已经足 够了 出于充电时的安全考虑 手机平台一般会限制充电电压在7V 以下 适配器输出电压高于7V 若直接接到手机充电模块是不允许充电的 另外由于国内统一的 充电接口标准的实施 适 配器的 DC 输出电压大多集中在5 6V 针对国内适配器的特点 OVP 芯片主要是为了避免 适配器热插拔时的瞬态过冲对手机平台芯片 的累计性损伤 电源招聘专家 图3 适用于国内适配器的单芯片手机充电系统方案 而上海艾为的 AW3206就是一款能满足国内手机充电系统要求的 OVP 芯片 AW3206的 OVP 保护电压为6 8V 适用于适配器输出电压为 5 6V 的国内手机充电系统 对于热插拔的瞬 态过压 AW3206的100ns 过压保护反应时间能确保手机充电系统的安全 AW3206高 达 8KV HBM 的 ESD 保护和 450mA 的 Latch up 保护都是增加手机充电系统的安全性和可靠性 的有力基础 为了增加手机充电系统的安全性和可靠性 AW3206具有以下特点 1 6 8V 的输入保护电压 适用于适配器输出电压为5 6V 的国内手机充电系统 2 集成 K Charge 技术的输入限流保护 既能在芯片温度低的时候保证比较大的充电电流 又能在芯片结温太高时智能调整输出电流来限制结温 性能与安全兼顾 3 集成具有防反灌功能的充电 P MOSFET 既节省成本 又可防止待机时电池电流反灌 4 锂离子电池过压保护和过温保护 兼容诺基亚适配器的手机充电系统面临的问题及应对措施 根据市场研究机构 Gartner 在今年的调查数据显示 诺基亚在全球的市场占有率为34 2 仍是手机中第一大巨头 而且在某些新兴市场国家诺基 亚的市场占有率更高 比如 IDC 的 调查数据显示诺基亚2009年底在印度的市场占有率高达54 由于诺基亚手机的普遍性 诺基亚适配器也是唾手可得 所 以可兼容 Nokia 适配器的充电系统是设计人员需要考虑的 电源招聘专家 图4 诺基亚适配器 AC 3C 的输出特性曲线 但在标准的诺基亚适配器中 有很大一部分适配器的输出电压是高于7V 的 图3是诺基亚 适配器 AC 3C 的输出特性曲线 从图中可以看出 AC 3C 的输出电压在空载时为7 5V 而 有的诺基亚充电器的输出电压会高达8 9V 为了适应诺基亚适配器 曾有如图5所示的用 高压 LDO 设计的手机 充电系统方案 图5 针对诺基亚适配器的手机充电系统方案 但这个方案会有一些问题 首先高压 LDO 由于工艺尺寸较大 为了承受高输入电压 导通 电阻 RDS ON 会比较大 诺基亚适配器的输出电压会随输 出电流增大而逐渐降低 充电电 流越大 输出电压越低 过大的 LDO 导通电阻会使电压进一步降低 而 LDO 后面的充电模 块也有一定的导通压降 这样就可能会 有加到电池上的电压太低而使电池充不满的情况 另外 LDO 多采用 SOT23 5L 的封装形式 高输入电压充电时在 LDO 内部的功耗比较大 散 热会存在问 题 没有 OVP 保护功能 整个方案的占板面积大 成本高也都是这个方案的 缺点 所以一个适用于诺基亚适配器的单芯片手机充电系统方案是设计人员迫切需要 的 电源招聘专家 图6 适用于诺基亚适配器的单芯片手机充电系统方案 而上海艾为推出的降压 OVP AW3208是专门针对诺基亚适配器推出的一款 OVP 芯片 AW3208的 OVP 电压高达10 5V 对于输出电压 在8 9V 的诺基亚适配器 AW3208工作在 降压的 LDO 模式 输出给手机平台充电模块的电压为5 25V CHRIN 电压 保证手机平台的 充电模块 可以正常充电 而对于输出电压在5 6V 的适配器 AW3208的输出模式为直通 模式 尽可能的减小导通压降 即使使用输出电压比较低的适配器 也确保能 把电池充满 对于输出电压比较高的适配器 工作在 LDO 模式的 AW3208充电时内部功耗会比较大 除 了具备过温保护功能和过流限流功能外 AW3208还集成 了创新的 K Charge 技术 充电时 会持续监测芯片的结温 芯片结温升高到一定值后若继续升高 则芯片会减小输出电流以 限定芯片内部功耗 尽量避免芯片 结温继续升高至进入反复的过热保护状态 从而解决不 能充电或充电时间过长的问题 另外基于安全性和可靠性的考虑 AW3208具备 AW3206具备的其他所有功能和特点 针对不同应用的手机充电系统兼容性设计考虑 针对不同的应用 手机充电系统的要求是不同的 有时可能还是彼此矛盾的 比如为了适 应诺基亚适配器 需要 OVP 芯片的 OVP 电压要高于9V 但在中 国国内 若适配器的输出 电压过高的话 国内的手机认证实验室的认证要求手机充电系统不能充电而处于保护状态 设计人员在面对这两种矛盾的要求时 往往只能 设计两套不同的方案 如果有一种方案能 同时兼容这两种矛盾的要求 对设计人员来说这个方案无疑是最佳的一个方案 由于 AW3206和 AW3208引脚分布完全相同 同时从应用的角度来看 两颗芯片只是 OVP 电压不同 外围器件和原理图完全相同 见图3和图 6 而且对手机平台来说 软件控制也 是完全相同 所以 AW3206和 AW3208刚好通过一个兼容设计来满足上面的两个矛盾的要求 对于设计人员来说 设计手机充电系统时 可先按图3或图6设计好原理图和 PCB 的 Layout 设计好后只需更改 BOM 而不要更改 PCB 就可以满足不同的要求了 手机充电系统 OVP 芯片外围器件的选取及 PCB 布局布线的一些考虑 1 输入电容和输出电容的选取 AW3206和 AW3208的输入引脚 ACIN 到地需要一个不小于1uF 的输入电容 这个输入电容除 了去耦外 还可以有效减小适配器在热插拔时由于连接线的寄生电感效应产生的瞬态过冲 电压 另外这个电容建议选取耐压不低于15V 的 X7R 或 X5R 陶瓷电容 AW3206和 AW3208同样在输出引脚 CHRIN 到地需要一个输出去耦合电容 这个电容对于 AW3208尤其重要 因为输出电容对工作在 LDO 模式的 AW3208的输出稳定性起着至关重要 的作用 缺少这个电容 CHRIN 引脚的输出电压将会有可能振荡 这里推荐选取耐压为 6 3V 电容值不小于1uF 的 X7R 或 X5R 陶瓷电容 电源招聘专家 2 PCB 布局和布线的一些考虑和建议 PCB 布局时需要考虑输入引脚 ACIN 和输出引脚 CHRIN 到地的输入电容和输出电容应尽可能 靠近 ACIN 和 CHRIN 引脚 电容的焊盘和引脚之间应直接用一层走线 避免通过通孔用两 层走线 PCB 布线需要考虑从 ACIN 引脚至充电接口的走线 OUT 引脚到采样电流电阻的走线以及采 样电阻到电池的走线在满足充电电流密度的基础上尽量宽 尽可能的减小走线的寄