誰(shuí)能想到手機產(chǎn)業(yè)會(huì )影響環(huán)境？當你在思考如何減少生態(tài)污染時(shí)，想到的可能是改變汽車(chē)設計，或使用綠色能源，根本不會(huì )是手機。然而，我們確實(shí)看到手機充電器對環(huán)境造成了很大的影響。手機行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始使用通用充電解決方案(UCS)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，UCS將改變手機制造商設計手機的方式。本文將對實(shí)現安全充電接口需要考慮的因素加以分析。
一個(gè)手機用戶(hù)一年會(huì )產(chǎn)生約17公斤的二氧化碳，相當于汽車(chē)行駛111公里。這個(gè)數字不是很大，在保護環(huán)境方面似乎不是優(yōu)先考慮的對象。然而，如果換一個(gè)角度看，你會(huì )發(fā)現，去年全球手機出貨量達12億部，每一部手機都有自己專(zhuān)用的充電器。在這12億部手機中，估計有5億部是替代性手機。拿到一部新手機通常都會(huì )讓人興奮不已，但人們對更換充電器顯然沒(méi)有任何興趣。當你認識到手機更新?lián)Q代的周期平均是18個(gè)月，而大多數手機都有專(zhuān)用充電器(包括同一個(gè)牌子的手機)，那么對家里冒出3到4個(gè)沒(méi)用的手機充電器就不會(huì )感到奇怪了。事實(shí)上，以前的充電器適用于新手機的概率只有10%左右。
這也是我們開(kāi)始看到政府和機構以及手機產(chǎn)業(yè)中的著(zhù)名企業(yè)成立專(zhuān)門(mén)組織來(lái)減少這種浪費的原因了。
中國信產(chǎn)部在2006年12月頒布了一份新的標準，即YD/T 1591-2006，旨在標準化墻式充電器和連接電纜。在中國市場(chǎng)上發(fā)布的每部新手機都必須經(jīng)過(guò)認證以符合這一標準要求。
2009年2月在巴塞羅納舉行的最近一次移動(dòng)世界大會(huì )上取得了另外一項重大進(jìn)展，即GSMA(包括5家全球最大的手機制造商)和17家手機運營(yíng)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(dòng)將有望消除高達51,000噸無(wú)用的手機充電器。假設手機充電器的生產(chǎn)量每年會(huì )削減兩成，那么這個(gè)產(chǎn)業(yè)每年有望減少1,300～22,00萬(wàn)噸的溫室效應氣體。
除了對生態(tài)有明顯影響外，當你周末與家人一起出去度假時(shí)你就不再需要攜帶兩三個(gè)充電器了，你完全可以找某個(gè)人借一個(gè)充電器給你的手機充電。
標準化
然而，為了使UCS取得成功，對手機制造商的第一個(gè)要求是其對通過(guò)USB對電池充電的標準表示贊同。于2007年8月8日頒布的電池充電規范1.0版本，規定了便攜式設備從USB專(zhuān)用充電器獲取電流的限制和檢測機制。中國通信標準YD/T 1591-2006對在中國發(fā)布的手機也提出了同樣的要求。
手機需要檢測并判斷插入的是一個(gè)USB充電器還是另一個(gè)進(jìn)行數據交換的終端(如計算機、其他手機等)。為了做到這一點(diǎn)，D+和D-在USB充電器內被短路(通過(guò)一個(gè)必須小于200Ω的電阻RDCHGR_DAT)。如果有個(gè)設備通過(guò)USB端口連接到手機，D+線(xiàn)將被驅動(dòng)到VDAT_SRC電壓，吸收電流為IDAT_SRC。如果在D-線(xiàn)上檢測到一個(gè)特定電壓(取決于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC)，即意味著(zhù)手機連到了USB充電器。
上述電池充電規范規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規定充電器最大輸出電流為1.8A。
主要挑戰在于保護
然而，主要挑戰還不是如今已有完善規定的電池充電標準，而是USB充電器的質(zhì)量。事實(shí)上，一部昂貴的智能手機可能被連接到一個(gè)質(zhì)量很差的USB充電器，比如沒(méi)有充電監視、沒(méi)有保護、噪聲很大等等。如果手機被外部充電器弄壞用戶(hù)是不能接受的，而且可以肯定的是，如果某個(gè)品牌的手機很容易因充電而損壞，那么這個(gè)手機牌子給人的印象會(huì )大打折扣。
因此，由于手機制造商再無(wú)法控制墻式充電器的質(zhì)量，因此他們需要將保護電路直接安裝在終端內部。保護手機要比保護充電器更具挑戰性，原因有兩個(gè)：
1. 由于已經(jīng)集成了數百項功能，手機的PCB尺寸大大減少。保護裝置的厚度必須適合超薄手機(總共才7mm厚)或翻蓋手機。
2. 保護裝置不能影響手機本身的性能，因此漏電流必須非常低。
為了選擇合適的保護器件，手機設計師必須對連接到USB端口的內部充電電路進(jìn)行風(fēng)險評估。
第一個(gè)人們熟知的風(fēng)險是靜電放電(ESD)。ESD可能在任何時(shí)間發(fā)生，無(wú)論手機是否在充電。用戶(hù)只要觸摸USB連接器，就可能向USB電路引入高達30kV的ESD浪涌電壓。很多設計師已經(jīng)知道，USB端口必須用能夠承受至少I(mǎi)EC61000-4-2標準中4級浪涌電壓(8kV接觸放電)的器件進(jìn)行保護，對于他們來(lái)說(shuō)，這并不是新的風(fēng)險。市場(chǎng)上大量的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管足以用來(lái)減輕這個(gè)風(fēng)險。
然而，如果我們認為不能依賴(lài)于USB充電器的質(zhì)量，那么第二個(gè)風(fēng)險隨之而來(lái)：手機被直接連到室內的輸電線(xiàn)，因此很容易受到這些輸電線(xiàn)上出現的任何浪涌電壓的侵襲。這是設計師需要考慮的新的因素。在室內輸電線(xiàn)上出現的主要干擾源有：
1. 由于工業(yè)事件(附近的車(chē)間，工廠(chǎng)等)或外部中高壓電源線(xiàn)上的動(dòng)作(電源分配網(wǎng)絡(luò )中的開(kāi)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。因為閃電在輸電線(xiàn)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(shí)才會(huì )感應到。事實(shí)上，每次閃電擊中電源線(xiàn)或僅僅擊中電源線(xiàn)附近的大地時(shí)，都會(huì )在(掩埋的)地線(xiàn)上產(chǎn)生增壓。這個(gè)波(電壓和電流)會(huì )通過(guò)電源線(xiàn)快速傳播，并穿過(guò)中心電站中的各個(gè)保護設備，甚至家庭的分電箱。然后，一個(gè)殘留的浪涌電壓會(huì )直接傳送到插著(zhù)手機的電源插座上。
這個(gè)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(shí)間被規定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。
對設計使用低電壓和低電流工作的電子設備來(lái)說(shuō)這種過(guò)電流確實(shí)非常危險。一個(gè)好的保護裝置必須能夠通過(guò)地(GND)吸收掉這個(gè)過(guò)電流，并保持一個(gè)低的箝位電壓，從而保護充電電路不受損壞。
這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強大，對設計師來(lái)說(shuō)是一個(gè)更艱巨的挑戰。
在法國(55萬(wàn)平方公里)，每年有100萬(wàn)次雷擊擊中大地!因此這種現象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內擊中房屋周?chē)鷰坠飪鹊囊豢脴?shù)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，但電子設備卻很容易。計算機、電視機等家電在設計時(shí)就考慮到了要插入輸電線(xiàn)，因此都有完善的保護。其他便攜式設備則采用帶有合適保護裝置的專(zhuān)用充電器，或通過(guò)可拆裝電池供電。但是，如果一個(gè)通用充電器出于成本原因不能有效防止這種浪涌電壓，那么手機就很容易在充電時(shí)受損。
由于工業(yè)事件或中高壓電源線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)動(dòng)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(huì )低一些。它們發(fā)生的概率也是很高的。
第二個(gè)挑戰是保護器件上的功耗。能夠保護設備免受8/20μs之類(lèi)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20μA。通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)單的計算可以發(fā)現，對于一個(gè)擁有1,000mAh的電池和400小時(shí)待機時(shí)間的手機來(lái)說(shuō)，在偏置線(xiàn)上增加這樣一個(gè)器件將使待機時(shí)間縮短大約1%! |
