引言

目前市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的適配器可為鋰離子電池充電并為手機系統提供電源，同時(shí)由于中國實(shí)施了統一的手機充電接口，只要兼容的USB接口的連接線(xiàn)都可以為手機充電，這樣設計人員將無(wú)從得知消費者究竟使用何種適配器為手機充電，而這些適配器的電氣規格會(huì )因為制造商的不同而各異，同時(shí)由于半導體工藝的不斷進(jìn)步，手機平臺的主頻和集成度越來(lái)越高，芯片面積越來(lái)越小，但平臺芯片的耐壓也隨之降低，這些都為設計人員提出了嚴峻的挑戰，要求設計人員必須設計出一個(gè)針對不同手機平臺在使用不同適配器的情況下均能滿(mǎn)足安全性和可靠性要求的手機充電系統。本文首先討論手機充電系統面臨的一些主要問(wèn)題，然后針對這些問(wèn)題提出了對應的措施，以幫助設計人員應對這些挑戰。

手機充電系統面臨的主要問(wèn)題及應對措施

手機充電系統面臨的主要問(wèn)題有輸入過(guò)壓、如何兼容諾基亞適配器、不同要求的手機充電系統兼容設計以及手機充電系統外圍器件的布局及PCB布線(xiàn)考慮等。

輸入過(guò)壓及過(guò)壓保護

導致輸入過(guò)壓的原因有很多，如使用非穩壓的或者不正確的適配器，某些國家的電網(wǎng)不穩導致適配器的輸出電壓隨市電電壓變化、適配器熱插拔或負載瞬態(tài)變化時(shí)引起的瞬態(tài)過(guò)壓等。使用非穩壓的或者不正確的適配器和適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)是引起輸入過(guò)壓最常見(jiàn)的情況。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的適配器根據特性可劃分為兩種：穩壓適配器和非穩壓適配器。穩壓適配器的輸出電壓通過(guò)內部電路提供非常優(yōu)秀的線(xiàn)性調整率(Line Regulation)和負載調整率(Load Regulation)，而非穩壓適配器所提供的輸出電壓取決于負載。圖1為典型的非穩壓適配器和穩壓適配器的輸出電壓與負載的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖1：穩壓與非穩壓適配器的負載曲線(xiàn)圖。

而在適配器熱插拔時(shí)，也會(huì )出現瞬態(tài)的過(guò)壓電壓，由于適配器連接線(xiàn)的寄生電感效應，熱插拔時(shí)會(huì )產(chǎn)生瞬態(tài)的輸出振蕩波形，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的衰減后會(huì )穩定在DC值。圖2為5.5V適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)波形，通常適配器熱插拔時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓峰值電壓是其DC值的兩倍左右。

圖2：直流輸出為5.5V的AC適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)壓波形。

隨著(zhù)半導體工藝的不斷進(jìn)步，手機平臺的集成度和主頻越來(lái)越高，芯片面積越來(lái)越小，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是平臺芯片的耐壓也隨之降低。早期平臺的耐壓比較高，非穩壓適配器的空載輸出電壓或者適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)壓手機平臺是可以承受的。而采用先進(jìn)工藝制程的手機平臺由于集成度高，耐壓低，前面所述的電壓直接加到手機平臺芯片上就有可能會(huì )引起芯片的損傷，所以采用先進(jìn)工藝制程的手機平臺就要求設計人員應用時(shí)需要在適配器和手機平臺對應的充電模塊之間增加一個(gè)輸入過(guò)壓保護(OVP)芯片，防止適配器輸出的過(guò)高電壓對手機平臺芯片產(chǎn)生損傷。例如MTK的早期手機平臺MT6305/5318、展訊的SC6600L的充電引腳最高可承受電壓為15V，高通的QSC6240/6270的充電引腳最高可承受電壓為18V，均不要求增加OVP芯片，而MTK的MT6223/6235/6238/6253由于充電引腳最高可承受電壓只有9V，所以就要求增加OVP芯片，以防止適配器的過(guò)高輸出電壓對手機平臺芯片產(chǎn)生損傷。

對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要和早期的幾個(gè)手機平臺芯片的耐壓相同就可以了，因為早期的手機平臺芯片已經(jīng)大批量出貨，在市場(chǎng)的長(cháng)期應用驗證了其耐壓的安全性和可靠性，所以對于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐壓只要在15V以上就已經(jīng)足夠了。

出于充電時(shí)的安全考慮，手機平臺一般會(huì )限制充電電壓在7V以下，適配器輸出電壓高于7V若直接接到手機充電模塊是不允許充電的，另外由于國內統一的充電接口標準的實(shí)施，適配器的DC輸出電壓大多集中在5～6V，針對國內適配器的特點(diǎn)，OVP芯片主要是為了避免適配器熱插拔時(shí)的瞬態(tài)過(guò)沖對手機平臺芯片的累計性損傷。

圖3：適用于國內適配器的單芯片手機充電系統方案。

而上海艾為的AW3206就是一款能滿(mǎn)足國內手機充電系統要求的OVP芯片。AW3206的OVP保護電壓為6.8V，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國內手機充電系統。對于熱插拔的瞬態(tài)過(guò)壓，AW3206的100ns過(guò)壓保護反應時(shí)間能確保手機充電系統的安全。AW3206高達±8KV(HBM)的ESD保護和±450mA的Latch-up保護都是增加手機充電系統的安全性和可靠性的有力基礎。

為了增加手機充電系統的安全性和可靠性，AW3206具有以下特點(diǎn)：

1、6.8V的輸入保護電壓，適用于適配器輸出電壓為5～6V的國內手機充電系統；

2、集成K-Charge技術(shù)的輸入限流保護，既能在芯片溫度低的時(shí)候保證比較大的充電電流，又能在芯片結溫太高時(shí)智能調整輸出電流來(lái)限制結溫，性能與安全兼顧；

3、集成具有防反灌功能的充電P-MOSFET，既節省成本，又可防止待機時(shí)電池電流反灌；

4、鋰離子電池過(guò)壓保護和過(guò)溫保護。

兼容諾基亞適配器的手機充電系統面臨的問(wèn)題及應對措施

根據市場(chǎng)研究機構Gartner在今年的調查數據顯示，諾基亞在全球的市場(chǎng)占有率為34.2%，仍是手機中第一大巨頭，而且在某些新興市場(chǎng)國家諾基亞的市場(chǎng)占有率更高，比如IDC的調查數據顯示諾基亞2009年底在印度的市場(chǎng)占有率高達54%。由于諾基亞手機的普遍性，諾基亞適配器也是唾手可得，所以可兼容Nokia適配器的充電系統是設計人員需要考慮的。

圖4：諾基亞適配器AC-3C的輸出特性曲線(xiàn)。

但在標準的諾基亞適配器中，有很大一部分適配器的輸出電壓是高于7V的，圖3是諾基亞適配器AC-3C的輸出特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出， AC-3C的輸出電壓在空載時(shí)為7.5V，而有的諾基亞充電器的輸出電壓會(huì )高達8～9V。為了適應諾基亞適配器，曾有如圖5所示的用高壓LDO設計的手機充電系統方案：

圖5：針對諾基亞適配器的手機充電系統方案。

但這個(gè)方案會(huì )有一些問(wèn)題，首先高壓LDO由于工藝尺寸較大(為了承受高輸入電壓)，導通電阻RDS(ON)會(huì )比較大，諾基亞適配器的輸出電壓會(huì )隨輸出電流增大而逐漸降低，充電電流越大，輸出電壓越低，過(guò)大的LDO導通電阻會(huì )使電壓進(jìn)一步降低，而LDO后面的充電模塊也有一定的導通壓降，這樣就可能會(huì )有加到電池上的電壓太低而使電池充不滿(mǎn)的情況。另外LDO多采用SOT23-5L的封裝形式，高輸入電壓充電時(shí)在LDO內部的功耗比較大，散熱會(huì )存在問(wèn)題。沒(méi)有OVP保護功能、整個(gè)方案的占板面積大、成本高也都是這個(gè)方案的缺點(diǎn)，所以一個(gè)適用于諾基亞適配器的單芯片手機充電系統方案是設計人員迫切需要的。

圖6：適用于諾基亞適配器的單芯片手機充電系統方案。

而上海艾為推出的降壓OVP——AW3208是專(zhuān)門(mén)針對諾基亞適配器推出的一款OVP芯片。AW3208的OVP電壓高達10.5V，對于輸出電壓在8～9V的諾基亞適配器，AW3208工作在降壓的LDO模式，輸出給手機平臺充電模塊的電壓為5.25V(CHRIN電壓)，保證手機平臺的充電模塊可以正常充電，而對于輸出電壓在5～6V的適配器，AW3208的輸出模式為直通模式，盡可能的減小導通壓降，即使使用輸出電壓比較低的適配器，也確保能把電池充滿(mǎn)。

對于輸出電壓比較高的適配器，工作在LDO模式的AW3208充電時(shí)內部功耗會(huì )比較大，除了具備過(guò)溫保護功能和過(guò)流限流功能外，AW3208還集成了創(chuàng )新的K-Charge技術(shù)，充電時(shí)會(huì )持續監測芯片的結溫，芯片結溫升高到一定值后若繼續升高，則芯片會(huì )減小輸出電流以限定芯片內部功耗，盡量避免芯片結溫繼續升高至進(jìn)入反復的過(guò)熱保護狀態(tài)，從而解決不能充電或充電時(shí)間過(guò)長(cháng)的問(wèn)題。

另外基于安全性和可靠性的考慮，AW3208具備AW3206具備的其他所有功能和特點(diǎn)。

針對不同應用的手機充電系統兼容性設計考慮

針對不同的應用，手機充電系統的要求是不同的，有時(shí)可能還是彼此矛盾的。比如為了適應諾基亞適配器，需要OVP芯片的OVP電壓要高于9V。但在中國國內，若適配器的輸出電壓過(guò)高的話(huà)，國內的手機認證實(shí)驗室的認證要求手機充電系統不能充電而處于保護狀態(tài)。設計人員在面對這兩種矛盾的要求時(shí)，往往只能設計兩套不同的方案，如果有一種方案能同時(shí)兼容這兩種矛盾的要求，對設計人員來(lái)說(shuō)這個(gè)方案無(wú)疑是最佳的一個(gè)方案。

由于A(yíng)W3206和AW3208引腳分布完全相同，同時(shí)從應用的角度來(lái)看，兩顆芯片只是OVP電壓不同，外圍器件和原理圖完全相同(見(jiàn)圖3和圖6)，而且對手機平臺來(lái)說(shuō)，軟件控制也是完全相同，所以AW3206和AW3208剛好通過(guò)一個(gè)兼容設計來(lái)滿(mǎn)足上面的兩個(gè)矛盾的要求。

對于設計人員來(lái)說(shuō)，設計手機充電系統時(shí)，可先按圖3或圖6設計好原理圖和PCB的Layout，設計好后只需更改BOM而不要更改PCB就可以滿(mǎn)足不同的要求了。

手機充電系統OVP芯片外圍器件的選取及PCB布局布線(xiàn)的一些考慮

1、輸入電容和輸出電容的選取

AW3206和AW3208的輸入引腳ACIN到地需要一個(gè)不小于1uF的輸入電容。這個(gè)輸入電容除了去耦外，還可以有效減小適配器在熱插拔時(shí)由于連接線(xiàn)的寄生電感效應產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)沖電壓。另外這個(gè)電容建議選取耐壓不低于15V的X7R或X5R陶瓷電容。

AW3206和AW3208同樣在輸出引腳CHRIN到地需要一個(gè)輸出去耦合電容。這個(gè)電容對于A(yíng)W3208尤其重要，因為輸出電容對工作在LDO模式的AW3208的輸出穩定性起著(zhù)至關(guān)重要的作用，缺少這個(gè)電容CHRIN引腳的輸出電壓將會(huì )有可能振蕩。這里推薦選取耐壓為6.3V，電容值不小于1uF的X7R或X5R陶瓷電容。

2、PCB布局和布線(xiàn)的一些考慮和建議

PCB布局時(shí)需要考慮輸入引腳ACIN和輸出引腳CHRIN到地的輸入電容和輸出電容應盡可能靠近ACIN和CHRIN引腳，電容的焊盤(pán)和引腳之間應直接用一層走線(xiàn)，避免通過(guò)通孔用兩層走線(xiàn)。

PCB布線(xiàn)需要考慮從ACIN引腳至充電接口的走線(xiàn)、OUT引腳到采樣電流電阻的走線(xiàn)以及采樣電阻到電池的走線(xiàn)在滿(mǎn)足充電電流密度的基礎上盡量寬，盡可能的減小走線(xiàn)的寄生電阻。

為了獲得更好的散熱性能，AW3206/AW3208的散熱片應和GND引腳一起直接連接到PCB的大面積鋪地層上，同時(shí)在散熱片下面的鋪地層再打上盡可能多的通孔，用通孔將所有鋪地層連接在一起，通過(guò)通孔和大面積的鋪地層減小熱阻，提高散熱性能。

本文小結

本文討論了手機充電系統中面臨的一些問(wèn)題，并對這些問(wèn)題提出了相應的應對措施，以幫助設計人員設計出能滿(mǎn)足更穩定、更可靠要求的手機充電系統，使其產(chǎn)品能在眾多的產(chǎn)品中獨樹(shù)一幟，而不是“泯然眾人”。