手机USB充电和过压保护解决方案

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YD/T 1591标准涉及两大部分，分别是移动通信手持机侧(简称“手机侧”)和充电器侧。手机侧指的是手机加上手机连接充电器直流输出端的线缆及其插头，由手机制造商提供；充电器侧指充电器及直流输出连接插座，由充电器厂商提供。
YD/T 1591标准手机侧的要求主要分为三个部分，分别是手机侧连接接口电气性能要求(标准4.2.3.1)、手机侧充电连接接口及线缆要求(标准4.2.3.3、4.2.3.4)和手机侧供电装置识别(标准4.2.3.5)。本文将重点结合手机侧的要求来分析USB充电和过压保护设计策略，以及相应的解决方案。


图1：YD/T 1591-2006 标准所涵盖手机侧和充电器侧两大部分。
手机充电要求及不同充电电路解决方案比较
通常所称的手机充电器实际上是交流/直流(AC-DC)电源适配器，真正的充电电路乃是在手机内部。根据YD/T 1591标准要求，手机充电接口直流输入电压也就是充电器的输出电压为5 V±5%，即范围为4.75 V~5.25 V；标准充电器的充电电流为300 mA至1,800 mA，非标准充电器(如笔记本电脑的USB eepw.com.cn/news/listbylabel/label/USB端口等)的最大充电电流为500 mA。无论充电器的输出功率如何，手持机侧充电控制电路应能根据自身需求实施安全充电，不应出现过热、燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象。
在手机内部的充电电路方面，业界有着不同的解决方案，主要包括分立式充电IC、集成式充电IC、电源管理集成电路(PMIC，或称电源管理单元，简称PMU)+外部充电功率元件等三种。这三种方案各有其特点。其中，对于分立式充电IC方案而言，优点在于便于增加或修改功能，从而更有利于实现产品差异化，此外，这种方案有利于实现困难的电路板布局，达到苛刻的电磁兼容要求，也具有更好的散热特性。其缺点在于使用的元件较多，成本高，会增加电路板占用面积，而这会给电路板空间弥足珍贵的手机等便携设备设计带来更大挑战。这种方案正在逐步淘汰之中。
对于集成式充电方案而言，它集成了大量的功能，所需的外围器件非常少，易于实现小尺寸的外形因数，利于降低电路板布局的复杂性。包括安森美半导体在内的众多厂商都支持这种方案。不过，由于工艺和功耗方面的原因，集成式充电解决方案对充电电流的大小 会有严格限制。此外，集成式方案布局比较麻烦，缺乏灵活性，难以满足产品功能差异化要求，所集成的众多功能对有些客户来说可能意味着过多的限制。因此，这种方案主要适合于对灵活性要求不高的高产量应用。


图2：“PMU+充电功率元件”型充电解决方案的结构示意图。
相比较前两种方案而言，“PMU/PMIC+充电功率元件”这种方案处于主流地位。这种方案综合了集成度与灵活性的优势，适用于必须支持不同市场的产品。基于这种理念的设计不会占用太多电路板空间，但元件的位置可以更灵活，且易于实现产品的差异化。在这种方案中，外部充电功率元件可以是场效应管(FET)、双FET、双极型晶体管(BJT)和FETKY(MOSFET和肖特基二极管共同封装在一起)等。这种解决方案的结构示意图如图2所示。
如上所述，在第三种解决方案中，可以选用不同的外部充电功率元件。那么，究竟什么样的充电功率元件更合适呢？我们可以通过最坏情况来予以分析。
假定充电器(电源适配器)提供的最低电压是4.75 V，而电池电压为4.3 V，充电器电流为500 mA，而感测电阻为200 mΩ，PCB电阻为100 mΩ。这样对手机充电电路而言，就在电源输入和电池之间留出了0.45 V的电压裕量。


图3：FETKY和双FET方案的结构示意图
结合图2和图3(a)所示，充电由PMU控制，MOSFET充当充电电流的传输元件。这里计算一下通过这个充电电路中的两个传输元件(MOSFET和肖特基二极管)的压降。
Vdropout = 充电电流×Rds(on)+Vf = 0.5 A×Rds(on)+Vf
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。

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