淺談USB電源適配器的電路保護(hù)方案

隨著當(dāng)今社會(huì)人們手中的手機(jī)、平板電腦等智能手持設(shè)備功能的不斷升級(jí)強(qiáng)大，娛樂(lè)和個(gè)性化的應(yīng)用也使得設(shè)備的電池的續(xù)航能力成為其中的一個(gè)死角?，F(xiàn)實(shí)生活中我們可能經(jīng)常會(huì)看到我們周邊的朋友隨身帶個(gè)移動(dòng)電源，沒(méi)有隨身電源就只能隨時(shí)找地方對(duì)設(shè)備充電了。因此電源適配器作為標(biāo)配產(chǎn)品一直成了人們的必需品。

從蘋果手機(jī)的USB電源適配等為代表的小型化適配器越來(lái)越受人親睞，越來(lái)越多的電路元器件的SMD小型化封裝讓以往常見(jiàn)的電源充電器能夠做到更加的小巧玲瓏，集美觀與便攜于一體。 本文從內(nèi)部電路重要的安規(guī)器件——保險(xiǎn)絲的應(yīng)用角度，說(shuō)明AEM科技推出的創(chuàng)新型SMD 250VAC FUSE——MF2410系列 適應(yīng)潮流，如何布局在這類小尺寸AC/DC電源適配器 上的交流應(yīng)用，并如何做到我們倡導(dǎo)的“該斷時(shí)及時(shí)斷，不該斷是不能斷，時(shí)時(shí)保障安全!”的要求。

作為一款UMF通用模塊型保險(xiǎn)絲，必須讓工程師在設(shè)計(jì)初考慮滿足下述要求。

一、結(jié)構(gòu)上最大限度滿足小尺寸電源適配器對(duì)器件的小體積要求

以USB power Adapter為例，在這個(gè)層面上，結(jié)構(gòu)限制了內(nèi)部元件的體積，例如硬幣大小的PCB面積也讓SMD元件成了工程師的首選。

圖1 整體設(shè)計(jì)的PCB面積均如硬幣大小，可以讓外觀做到迷你型。

作為安規(guī)元件的保險(xiǎn)絲，MF2410通用模塊保險(xiǎn)絲滿足了上面的小體積和SMD工藝的需求。相對(duì)于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的尺寸，MF的體積小優(yōu)勢(shì)十分明顯。

我們來(lái)看看市面上常用的幾種保險(xiǎn)絲尺寸大小比例：

表1 常見(jiàn)保險(xiǎn)絲尺寸比較

圖2 可以看出MF 通用模塊保險(xiǎn)絲最大限度滿足對(duì)體積的要求。

二、適合回流焊與波峰焊的SMT工藝

從生產(chǎn)工藝上講，AEM 的MF保險(xiǎn)絲材料與結(jié)構(gòu)獨(dú)具特點(diǎn)，這種SMT生產(chǎn)工藝不單省卻了不少人工與輔材成本，根據(jù)我們對(duì)采用SMD fuse的客戶原因調(diào)查，插件的引腳彎折加工導(dǎo)致fuse本體壞也是其中一種原因。

其次，由于電源電路插件的元件必不可少，因此生產(chǎn)工廠有采用波峰焊焊接的方式，保險(xiǎn)絲需要承受波峰焊錫高溫，與業(yè)界其它SMD陶瓷保險(xiǎn)絲相比，AEM 的UMF通用模塊式保險(xiǎn)絲以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，電鍍通孔的連接方式使熔絲與端頭形成可靠的電連接和機(jī)械連接，不存在端頭焊接受熱脫帽現(xiàn)象，耐高溫的能力突出。

圖3 滿足波峰焊、回流焊或手工焊的焊接工藝

三、基于電源電路設(shè)計(jì)的應(yīng)用

USB 電源適配器電路屬于AC/DC電源線路，典型的開(kāi)關(guān)電源組成如下：

開(kāi)關(guān)電源電路組成框圖

開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

1、常見(jiàn)輸入電路對(duì)保險(xiǎn)絲的雷擊測(cè)試考量：

1.1、AC 輸入防雷電路工作原理：

雷擊測(cè)試時(shí)，由 MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過(guò)大，F(xiàn)1、F2、F3 會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。當(dāng)然在實(shí)際客戶應(yīng)用中，基于成本考慮，大部分廠家對(duì)F2、F3只在嚴(yán)酷的環(huán)境中使用。典型電路單元如下：

1.2、我們來(lái)計(jì)算差模雷擊對(duì)保險(xiǎn)絲的要求：

>>電路若有阻抗(如MLV)，Peak值估計(jì)大約為理論值的60~70%;例如，典型的雷擊電流波形和參數(shù)如下：

根據(jù)IEC最新標(biāo)準(zhǔn)要求四個(gè)相位角度測(cè)試至少10次，計(jì)算：

對(duì)于差模500v，I²T= 0.5*(250A*70%)^2*30us=0.416A²S.

由此估算：差模500V，需要保險(xiǎn)絲的I²t至少0.46A²S以上，MF2410系列1A保險(xiǎn)絲在在該時(shí)間段I²t為0.6A²S，滿足500V雷擊要求。

對(duì)于差模1000v，I²T=0.5*(500A*70%)^2*30us=1.83 A²S.

由此估算：差模1000V，要求2以上，MF2410 2A保險(xiǎn)絲在該時(shí)間段I²t為3 A²S，因此可以滿足該級(jí)別雷擊的需求。

根據(jù)歐規(guī)EN55024 和國(guó)標(biāo)GB17618標(biāo)準(zhǔn)，通信類消費(fèi)電子產(chǎn)品電源(charge、Adapter…)以雷擊差模1000V，共模2000V為標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于2410尺寸的MF 2A保險(xiǎn)絲滿足差模1KV的雷擊要求。

2、對(duì)開(kāi)機(jī)浪涌的防護(hù)

為了避免保險(xiǎn)絲不正常的熔斷，除了要知道AC/DC電源正常工作電流，工程師對(duì)Inrush current進(jìn)行計(jì)算評(píng)估也顯得相當(dāng)重要。電源電路存在較大的儲(chǔ)能元件，AC輸入端的濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。如電路圖中，當(dāng)電源通電瞬間，要對(duì) C5 充電。由于瞬間充電電流大，對(duì)保險(xiǎn)絲熔絲形成熔斷風(fēng)險(xiǎn)，這種情況要求工程師對(duì)Inrush current做計(jì)算評(píng)估了，再選定額定電流規(guī)格的保險(xiǎn)絲。例如，我們?cè)鴮?duì)采用4.7uf的電解電容的10W電源適配器捕捉的Inrush current 波形情況如下：

上圖參數(shù)如下： Inrush Current ： Ipeak=35.9A;Duration ： t≈30us

計(jì)算Inrush I²t=1/2* Ipeak²*t=0.0019 A²S，按照保險(xiǎn)絲脈沖折減比例，滿足100000次開(kāi)機(jī)浪涌的需求，保險(xiǎn)絲的I²t(熱熔值)需要滿足：

0.0019/20%=0.095 A²S

所以 需要保險(xiǎn)絲的I²t≥0.095A²S， 從抗電流浪涌角度MF2410F0500TM以上型號(hào)保險(xiǎn)絲均滿足要求。

3、UMF保險(xiǎn)絲的通用性問(wèn)題

保險(xiǎn)絲除了滿足電路的上述要求外，產(chǎn)品的通用性也是工程師考慮的問(wèn)題，作為安規(guī)器件，如此小尺寸的保險(xiǎn)絲，獲得通往各國(guó)市場(chǎng)的安規(guī)認(rèn)證，也是獲得客戶訂單必要條件。事實(shí)上，AEM推出的這款全球技術(shù)領(lǐng)先的產(chǎn)品，以全球最小尺寸符合IEC60127-4標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)取得歐規(guī)、美規(guī)、CQC、KC、PSE、VDE等國(guó)家和地區(qū)安規(guī)認(rèn)證。滿足人們對(duì)保險(xiǎn)絲熔斷保障安全的要求。

應(yīng)用于新型USB電源適配器快速充電技術(shù)方案#e#

4、應(yīng)用于新型USB電源適配器快充電技術(shù)方案。

如今人們的手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的屏幕越來(lái)越大，設(shè)備耗電量的越來(lái)越高的情況，市場(chǎng)要求電源制造商須在更小的產(chǎn)品體積當(dāng)中提供更大功率的充電功能。目前，最新的AC/DC適配器解決方案是基于高通Quick Charge 2.0協(xié)議的快速充電解決方案。作為最新的USB電池充電技術(shù)，它使支持Quick Charge 2.0的被充電設(shè)備比傳統(tǒng)的USB充電方式快至75%。

圖4 采用MF2410 2A/250VAC fuse的 iwatt 快充方案

圖4 為基于Dialog 公司2014年初推出的iw620+iw1760的快速充電設(shè)計(jì)方案實(shí)物圖，電路的設(shè)計(jì)思路為iW620快速充電接口IC可以通過(guò)USB數(shù)據(jù)線檢測(cè)到支持Quick Charge 2.0的移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的指令，然后與iW1760 PWM原邊控制器進(jìn)行通信，對(duì)電源適配器輸出電壓進(jìn)行配置。位于初級(jí)側(cè)的iW1760就可提供電流感應(yīng)。通過(guò)其可編程的主動(dòng)快速放電專利技術(shù)能將輸出電壓從9V或12V降至5V， 因此，當(dāng)用 戶拔掉連接Quick Charge 2.0手機(jī)的USB數(shù)據(jù)線，再將其連接至非Quick Charge 2.0手機(jī)時(shí)，iW620可以迅速把輸出電壓降至5V，避免對(duì)其造成損壞。原理圖如下：

這類代表著最新USB充電技術(shù)的AC/DC適配器選擇SMD fuse的優(yōu)勢(shì)除了前述的參數(shù)滿足要求外，還具備下列的優(yōu)勢(shì)：

4.1 、MF保險(xiǎn)絲支持更低的待機(jī)功耗和更高的性價(jià)比

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)苛全球環(huán)保法規(guī)，例如歐盟的外部供電能源效率行為準(zhǔn)則(Code of Conduct， CoC)對(duì)充電產(chǎn)品的功耗和效率都提出了具體的更高要求。因此電源方案制造商有必要對(duì)快充方案做到待機(jī)功耗足夠小和高效率的運(yùn)作輸出充電功率。

目前市場(chǎng)上有采用保險(xiǎn)電阻的電源適配器，功耗遠(yuǎn)大于應(yīng)用保險(xiǎn)絲的功耗。例如，選用市面上常用的10Ω5% 1W的保險(xiǎn)電阻與MF 2410F1.000TM( 內(nèi)阻約0.0084Ω)功耗相比：W=I²R，輸入阻抗的增大，將給整個(gè)系統(tǒng)增加無(wú)謂損耗。

現(xiàn)今，由PI、Dialog、NXP等電源IC領(lǐng)導(dǎo)廠商紛紛推出兼容Quick Charge 2.0協(xié)議的快速充電的電源IC，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年支持Quick Charge 2.0協(xié)議的AC/DC適配器將逐步普及。

這類新型的小尺寸低功耗 USB電源適配器追求的元件SMT工藝化，逐漸降低生產(chǎn)企業(yè)人力成本等。隨著市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，又促使SMD元件廠家推出更符合市場(chǎng)要求的價(jià)格，進(jìn)一步滿足小型電源適配器對(duì)元件高性價(jià)比的要求。

綜上所述，對(duì)MF2410系列 250VAC fuse從產(chǎn)品尺寸、工藝、安規(guī)和功耗等在這種小尺寸低功率AC/DC 電源適配器上應(yīng)用的幾個(gè)角度進(jìn)行了闡述，說(shuō)明這類SMD 250VAC fuse電路保護(hù)元件將逐步在AC/DC電源市場(chǎng)占據(jù)主流應(yīng)用。