便攜式設備充電電路的分立器件保護方案

　　便攜式電子系統(tǒng)往往需要通過一個墻體適配器(交流-直流轉換子系統(tǒng))利用外部電源為其內(nèi)部電池充電。如今的電池組大都采用了鋰技術，因為鋰技術能減小便攜式產(chǎn)品的總重量。

　　但另一方面，這種產(chǎn)品必須遵守嚴格的充電規(guī)則。需要注意的是，充電步驟如果出現(xiàn)問題可能會導致鋰離子溫度升高、熱量失控而產(chǎn)生爆炸，威脅人們的生命。要避免出現(xiàn)此類事故，首選的安全措施之一就是從外部來保護負責管理電池組充電的內(nèi)部充電器。

　　過壓現(xiàn)象產(chǎn)生的根源

　　為保證充電電壓不超出系統(tǒng)所能承受的最大額定電壓，便攜式設備和移動設備供應商一般都會隨設備提供專用的墻體適配器。使用此類適配器就能保證AC-DC轉換器的輸出電壓得到很好的控制，輸出紋波受到較好的抑制。

　　然而，盡管設備供應商明確建議用戶只能使用原裝充電器，后裝配件仍然有它的市場，為旅行方便，或僅為在原裝配件壞掉后保證設備的繼續(xù)使用，用戶可能會使用第二個或者第三個墻體適配器。

　　根據(jù)適配器復雜度的不同，其瞬時輸出電壓有可能遠遠超出制造今天這些小型便攜式產(chǎn)品所采用的敏感電子器件的額定電壓。

　　導致墻體適配器輸出電壓增大的另一個可能的原因是光偶反饋的損耗(SMPS充電器)，這一故障即便在高端AC-DC市場也可能出現(xiàn)。此時，輸出電壓可能增大至20V，如果使用過壓保護器件(OVP)，可以避免系統(tǒng)中直接面對如此危險的電壓。

　　由于適配器電纜中的串聯(lián)電感，熱插拔AD-DC轉換器也可能導致過壓現(xiàn)象出現(xiàn)。此時的最大紋波電壓取決于移動設備的輸入電容和電纜的寄生電感。而如果在該移動設備上增加一個OVP器件，OVP的軟啟動特性就會消除熱插拔所帶來的過沖效應。

　　OVP的設計考慮

　　與前幾代過壓保護器件不同的是，為了節(jié)省PCB空間，新的OVP中如今集成了旁路元件(N MOSFET或 P MOSFET)。在計算雙芯片方案的PCB面積時，必須考慮器件的封裝尺寸和兩個器件之間的布線寬度。新一代OVP的PCB空間與老一代驅動+MOSFET方案相比最多可節(jié)約60%。但是，考慮到改善因充電電流引起的散熱問題，仍必須仔細設計PCB布線。安森美半導體的數(shù)據(jù)手冊文檔中給出了焊接點到空氣的熱阻Rθ曲線。

　　此外，為了降低與芯片內(nèi)部焊盤相連的焊接點溫度，還必須再增加額外的銅表面。由于這個芯片內(nèi)部焊盤與NMOS的漏極相連，因此添加的額外銅表面應連接到IN管腳或連到一個獨立的平面，而且這個銅表面絕對不能接地。

　　此外，過壓閾值的定義也很重要。OVLO和UVLO閾值由內(nèi)部比較器決定，當出現(xiàn)過壓或欠壓時，內(nèi)部比較器會切斷旁路元件。

　　OVLO所定的電平必須高于AC-DC的最大輸出工作電壓并低于系統(tǒng)首個元件的最大額定電壓。圖1所示為一個基于全集成OVP器件的典型便攜式設備的結構(此處的OVP采用的是NCP347MTAE)。

　　圖1：基于全集成OVP器件的典型便攜式設備的結構

　　為保證工作的穩(wěn)定性，還必須在器件前方盡可能靠近IN管腳的地方放置一個輸入電容。該電容的特性必須與保護器件的特性一致。

　　首先要檢查的是該電容的直流偏置曲線，以保證其工作時所能承受的電壓高于UVLO到 OVLO這個電壓范圍。例如，假設保護器件前方需要一個1µF的陶瓷電容。

　　考慮到陶瓷電容的擊穿電壓(200V以上)高于保護器件的最大額定電壓(30)，因此在此類產(chǎn)品上可以使用一個10V/1 µF或16V/1µF的電容。每個電容的具體擊穿電壓取決于所用陶瓷材料的品質。圖2給出了0603/X5R/1µF/16V這款電容的直流偏置和直流擊穿電壓。

　　圖2：陶瓷電容0603/X5R/1µF/16V的直流偏置和直流擊穿電壓。

　　主要產(chǎn)品特性

　　今天，我們已經(jīng)可以在很小的產(chǎn)品封裝內(nèi)實現(xiàn)極低的Rdson。例如采用2×2.5mm WDFN封裝 的NCP347，其Rdson只有110mΩ，但卻能承受高達2安培的直流電流。25℃室溫下墻體適配器到充電器之間的典型壓降為52mV。由于損耗極小，因此此類產(chǎn)品可支持低輸出電壓的墻體適配器。適配器到充電器之間的壓差越小，便攜式器件的散熱越少，對墻體適配器負載調(diào)節(jié)不佳的承受能力也越強。

　　而新型充電器結構的出現(xiàn)，使得內(nèi)部開關能在很低的功耗下實現(xiàn)快速關斷。一般情況下，下游系統(tǒng)中不會出現(xiàn)瞬態(tài)過壓。在上面提到的例子中，典型的關斷時間是1µs，最長也只有5µs。

　　新器件上可能會增加一個用于啟動器件，或在我們希望將系統(tǒng)與墻體適配器隔離開時將其拉高就能切換到電池供電方式的“使能”管腳。另外，還可以用一個狀態(tài)管腳來監(jiān)控電壓值。當該管腳處于開漏極輸入狀態(tài)時，必須通過一個最小為10kΩ的上拉電阻將其上拉到電池電壓。

　　如果將狀態(tài)管腳連到一個微控制器的輸入，并將“使能”管腳連到微控制器的輸出，就可以在器件輸入管腳上的電壓持續(xù)出問題時完全切斷OVP器件。而微控制器又可以根據(jù)狀態(tài)管腳的情況，在合適的時候接通OVP。

　　為新標準設計新方案

　　IC制造商們?yōu)榻鉀Q過壓問題以及有效保護他們的器件，提供了新穎的解決方案，例如安森美公司的NCP347和NCP348。由于能承受2安培的充電電流并提供高達28V的保護，而且關斷速度極快，因此這些全集成的方案基本上能滿足大多數(shù)應用的要求。為了滿足不同AC-DC輸出電壓的要求，我們提供了一些OVLO閾值不同的產(chǎn)品版本。它們的Rdson、關斷時間和耗電情況都能滿足最嚴苛的要求。

　　值得一提的是，其中有一款產(chǎn)品兼容USB充電，特別適合新的中國充電標準。事實上，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的便攜式設備開始配備USB連接器，能通過USB連接器與帶USB接口的主機或墻體適配器相連實現(xiàn)充電。