应对中国最新标准的手机USB充电和过压保护解决方案

技术分类: 电源技术  消费电子设计  | 2008-03-04
来源:安森美半导体

  在最坏情况下,充电器电流为500 mA时,压降(Vdropout)概算为300 mV。也就是当充电器电流为500 mA时,典型的肖特基二极管的正向电压(Vf)已经是400 mV,这就导致无法提供足够的电压裕量。而且随着充电电流的增加,肖特基二极管所促成的0.4 V极高压降更会使其成为一个阻塞点。因此,在今后的解决方案中应该避免使用FETKY解决方案。

  而在另一方面,通过用具有低V CE(Sat)的晶体管或者具有低Rds(on)的MOSFET代替肖特基二极管,可以降低传输元件上的压降,从而符合所需要的有限电压裕量要求。例如,双FET用作充电功率元件(如图3(b)所示)就是一个更加合适的选择。在这方面,安森美半导体的NTLJD3115P和NTHD4102P就是非常适合的选择。其中,NTLJD3115P是一款-20 V、-4.1 A、μCool™ 双P沟道功率MOSFET,它采用2×2 mm的WDFN封装,具有极低的导通阻抗,其0.8 mm的高度也使其非常适合纤薄的应用环境;它针对便携设备中的电池和负载管理应用进行了优化,适合于锂离子电池充电和保护电路应用及高端负载开关应用。而NTHD4102P是一款-20 V、-4.1 A双P沟道ChipFETTM功率MOSFET,同样具有较小的占位面积和极低的导通阻抗,适合于纤薄的便携应用环境。

  具体而言,采用双FET的有利因素包括:阻塞反向电流、允许反向给蓝牙配件充电,以及导通阻抗(Rds(on))较低。此外,对于MOSFET而言,由于它需要频繁地进行开关操作,所以其发热成为一项问题,并且由此影响到它的使用寿命。而在采用双FET的方案中,MOSFET器件所具备的热感应等额外功能

可以建立热控制环路,支持快速高效的充电方案和热保护。

  而在用双FET作为充电功率元件进行500 mA甚至1,800 mA的大电流充电时,需要注意到许多设计考虑事项,如器件温度、温度的计算过程容易出错等。不过,就近的节温度传感器可以改正部分错误,且准确的温度调节可以实现高效的充电解决方案。此外,还需要针对性地进行设备热模拟和温度感应FET评估等工作。

  总的来看,在选择 MOSFET 作为电池充电电路的充电功率元件时,我们应注意其电流额定值、击穿电压、栅极阈值及热性能等。我们可根据不同的 PMIC/PMU 和设计目标,采用不同的配置。

  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。

过压保护电路启用的原理示意图 

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。

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