手機(jī)USB安全充電接口考慮因素

誰能想到手機(jī)產(chǎn)業(yè)會影響環(huán)境?當(dāng)你在思考如何減少生態(tài)污染時，想到的可能是改變汽車設(shè)計，或使用綠色能源，根本不會是手機(jī)。然而，我們確實(shí)看到手機(jī)充電器對環(huán)境造成了很大的影響。手機(jī)行業(yè)已經(jīng)開始使用通用充電解決方案(UCS)來解決這個問題，UCS將改變手機(jī)制造商設(shè)計手機(jī)的方式。本文將對實(shí)現(xiàn)安全充電接口需要考慮的因素加以分析。

　　一個手機(jī)用戶一年會產(chǎn)生約17公斤的二氧化碳，相當(dāng)于汽車行駛111公里。這個數(shù)字不是很大，在保護(hù)環(huán)境方面似乎不是優(yōu)先考慮的對象。然而，如果換一個角度看，你會發(fā)現(xiàn)，去年全球手機(jī)出貨量達(dá)12億部，每一部手機(jī)都有自己專用的充電器。在這12億部手機(jī)中，估計有5億部是替代性手機(jī)。拿到一部新手機(jī)通常都會讓人興奮不已，但人們對更換充電器顯然沒有任何興趣。當(dāng)你認(rèn)識到手機(jī)更新?lián)Q代的周期平均是18個月，而大多數(shù)手機(jī)都有專用充電器(包括同一個牌子的手機(jī))，那么對家里冒出3到4個沒用的手機(jī)充電器就不會感到奇怪了。事實(shí)上，以前的充電器適用于新手機(jī)的概率只有10%左右。

　　這也是我們開始看到政府和機(jī)構(gòu)以及手機(jī)產(chǎn)業(yè)中的著名企業(yè)成立專門組織來減少這種浪費(fèi)的原因了。

　　中國信產(chǎn)部在2006年12月頒布了一份新的標(biāo)準(zhǔn)，即YD/T 1591-2006，旨在標(biāo)準(zhǔn)化墻式充電器和連接電纜。在中國市場上發(fā)布的每部新手機(jī)都必須經(jīng)過認(rèn)證以符合這一標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　2009年2月在巴塞羅納舉行的最近一次移動世界大會上取得了另外一項(xiàng)重大進(jìn)展，即GSMA(包括5家全球最大的手機(jī)制造商)和17家手機(jī)運(yùn)營商一致同意在2012年前提供使用微型USB連接器的通用充電解決方案(UCS)。

　　這一行動將有望消除高達(dá)51,000噸無用的手機(jī)充電器。假設(shè)手機(jī)充電器的生產(chǎn)量每年會削減兩成，那么這個產(chǎn)業(yè)每年有望減少1,300～22,00萬噸的溫室效應(yīng)氣體。

　　除了對生態(tài)有明顯影響外，當(dāng)你周末與家人一起出去度假時你就不再需要攜帶兩三個充電器了，你完全可以找某個人借一個充電器給你的手機(jī)充電。

　　標(biāo)準(zhǔn)化

　　然而，為了使UCS取得成功，對手機(jī)制造商的第一個要求是其對通過USB對電池充電的標(biāo)準(zhǔn)表示贊同。于2007年8月8日頒布的電池充電規(guī)范1.0版本，規(guī)定了便攜式設(shè)備從USB專用充電器獲取電流的限制和檢測機(jī)制。中國通信標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591-2006對在中國發(fā)布的手機(jī)也提出了同樣的要求。

　　手機(jī)需要檢測并判斷插入的是一個USB充電器還是另一個進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的終端(如計算機(jī)、其他手機(jī)等)。為了做到這一點(diǎn)，D+和D-在USB充電器內(nèi)被短路(通過一個必須小于200Ω的電阻RDCHGR_DAT)。如果有個設(shè)備通過USB端口連接到手機(jī)，D+線將被驅(qū)動到VDAT_SRC電壓，吸收電流為IDAT_SRC。如果在D-線上檢測到一個特定電壓(取決于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC)，即意味著手機(jī)連到了USB充電器。

　　上 述電池充電規(guī)范規(guī)定充電器最大輸出電流必須是1.5A，充電器最大輸出電壓必須是5.25V。中國的YD/T 1591-2006規(guī)定充電器最大輸出電流為1.8A。

　　
主要挑戰(zhàn)在于保護(hù)

　　然而，主要挑戰(zhàn)還不是如今已有完善規(guī)定的電池充電標(biāo)準(zhǔn)，而是USB充電器的質(zhì)量。事實(shí)上，一部昂貴的智能手機(jī)可能被連接到一個質(zhì)量很差的USB充電器，比如沒有充電監(jiān)視、沒有保護(hù)、噪聲很大等等。如果手機(jī)被外部充電器弄壞用戶是不能接受的，而且可以肯定的是，如果某個品牌的手機(jī)很容易因充電而損壞，那么這個手機(jī)牌子給人的印象會大打折扣。

　　因此，由于手機(jī)制造商再無法控制墻式充電器的質(zhì)量，因此他們需要將保護(hù)電路直接安裝在終端內(nèi)部。保護(hù)手機(jī)要比保護(hù)充電器更具挑戰(zhàn)性，原因有兩個：

　　1. 由于已經(jīng)集成了數(shù)百項(xiàng)功能，手機(jī)的PCB尺寸大大減少。保護(hù)裝置的厚度必須適合超薄手機(jī)(總共才7mm厚)或翻蓋手機(jī)。

　　2. 保護(hù)裝置不能影響手機(jī)本身的性能，因此漏電流必須非常低。

　　為了選擇合適的保護(hù)器件，手機(jī)設(shè)計師必須對連接到USB端口的內(nèi)部充電電路進(jìn)行風(fēng)險評估。

　　第一個人們熟知的風(fēng)險是靜電放電(ESD)。ESD可能在任何時間發(fā)生，無論手機(jī)是否在充電。用戶只要觸摸USB連接器，就可能向USB電路引入高達(dá)30kV的ESD浪涌電壓。很多設(shè)計師已經(jīng)知道，USB端口必須用能夠承受至少IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中4級浪涌電壓(8kV接觸放電)的器件進(jìn)行保護(hù)，對于他們來說，這并不是新的風(fēng)險。市場上大量的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管足以用來減輕這個風(fēng)險。

　　然而，如果我們認(rèn)為不能依賴于USB充電器的質(zhì)量，那么第二個風(fēng)險隨之而來：手機(jī)被直接連到室內(nèi)的輸電線，因此很容易受到這些輸電線上出現(xiàn)的任何浪涌電壓的侵襲。這是設(shè)計師需要考慮的新的因素。在室內(nèi)輸電線上出現(xiàn)的主要干擾源有：

　　1. 由于工業(yè)事件(附近的車間，工廠等)或外部中高壓電源線上的動作(電源分配網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)等)引起的浪涌電壓。

　　2. 由于閃電引起的浪涌電壓。

　　最危險的是經(jīng)常發(fā)生的閃電浪涌。因?yàn)殚W電在輸電線上引起的浪涌電壓不只是在很少發(fā)生的房屋直接遭受雷擊時才會感應(yīng)到。事實(shí)上，每次閃電擊中電源線或僅僅擊中電源線附近的大地時，都會在(掩埋的)地線上產(chǎn)生增壓。這個波(電壓和電流)會通過電源線快速傳播，并穿過中心電站中的各個保護(hù)設(shè)備，甚至家庭的分電箱。然后，一個殘留的浪涌電壓會直接傳送到插著手機(jī)的電源插座上。

　　這個殘留浪涌電壓被表征為與雷擊波形相關(guān)的尖峰di/dt。大量實(shí)驗(yàn)和測量已經(jīng)將這樣的浪涌電流模型化為下面的波形，在IEC61000-4-5中被定義為8/20μs脈沖。

　　在電流峰值的10%和90%之間的電流上升時間被規(guī)定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。

　　對設(shè)計使用低電壓和低電流工作的電子設(shè)備來說這種過電流確實(shí)非常危險。一個好的保護(hù)裝置必須能夠通過地(GND)吸收掉這個過電流，并保持一個低的箝位電壓，從而保護(hù)充電電路不受損壞。

　　這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強(qiáng)大，對設(shè)計師來說是一個更艱巨的挑戰(zhàn)。

　　在法國(55萬平方公里)，每年有100萬次雷擊擊中大地!因此這種現(xiàn)象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內(nèi)擊中房屋周圍幾公里內(nèi)的一棵樹或地面的概率接近100%。

　　家用電器不太容易遭受這些浪涌的侵害，但電子設(shè)備卻很容易。計算機(jī)、電視機(jī)等家電在設(shè)計時就考慮到了要插入輸電線，因此都有完善的保護(hù)。其他便攜式設(shè)備則采用帶有合適保護(hù)裝置的專用充電器，或通過可拆裝電池供電。但是，如果一個通用充電器出于成本原因不能有效防止這種浪涌電壓，那么手機(jī)就很容易在充電時受損。

　　由于工業(yè)事件或中高壓電源線上的開關(guān)動作而引起的浪涌電壓，也可以模型化為8/20μs波形，但峰值電流會低一些。它們發(fā)生的概率也是很高的。

　　第二個挑戰(zhàn)是保護(hù)器件上的功耗。能夠保護(hù)設(shè)備免受8/20μs之類浪涌電壓傷害的TVS二極管到處都有，但它們的漏電流可能高達(dá)20μA。通過一個很簡單的計算可以發(fā)現(xiàn)，對于一個擁有1,000mAh的電池和400小時待機(jī)時間的手機(jī)來說，在偏置線上增加這樣一個器件將使待機(jī)時間縮短大約1%!