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【技术贴】你的手机充电过程够安全吗?专业角度看手机充电端口保护方案!

(2018-8-29 11:18)

智能手机目前已成为人们日常通讯、娱乐的重要工具。由于人们对手机的重度依赖,而手机电池发展一直进展缓慢,现在的智能手机通常都需要一天充电一次以上。



手机在充电时,从市电输电线到手机的充电口,整个通路上的各种干扰都会对充电口造成浪涌(surge)电压的影响。



浪涌电压的产生


什么是浪涌电压呢?浪涌电压就是电压幅度超过正常值的瞬态高压。瞬态是指浪涌持续时间短,通常为微秒级,高压是指电压幅度比正常值高得多,可以超过数倍甚至几十倍。



浪涌电压的主要来源有以下几种:


 第一种 

是市电传输网络上可能遇到雷击影响,当雷电击中市电网络的时候,会通过输电线路产生几千到几万伏的脉冲电压给到变压器,然后传给充电用的适配器,经过适配器再传导到手机充电口。

 第二种 

是电机扰动,一些工厂里的大功率电机在启停时会产生脉冲大电流,对供电网络造成冲击,使电网产生电压波动。

 第三种 

跟充电器相关。手机厂商无法控制终端用户对充电器的选用,许多用户都会用到不匹配的充电器或网购的兼容备用充电器。因此广大用户群所使用的充电器良莠不齐。劣质充电器的品质和稳定性差,遇到电网波动时极易出现问题,把过高的电压传递到手机充电端口。

 第四种 

是劣质充电线,它的内阻比较大,所用绝缘材料比较薄,也容易老化,会带来不稳定性因素。

 第五种 

最后一种是热插拔,也会造成充电口电压远高于正常范围的波动。


除此之外,印度、非洲等地区电网不稳等因素,对充电端口考验更大。


浪涌电压的危害


浪涌电压的危害分为两种,第一是积累性危害,多个小的浪涌冲击充电口,使充电口半导体器件性能衰退,寿命缩短;第二是灾难性危害,大的浪涌超过充电口器件承受能力,瞬间烧毁端口器件。


对于一款智能设备来说,由于浪涌电压导致接口烧毁、不能充电是最高级别故障,会严重影响用户的使用体验和产品品牌形象。


如何防止浪涌电压


为了更好地保护手机充电端口,OVP(Over-Voltage Protection,过压保护)芯片应运而生。



目前主流的手机充电端口过压保护方案有两种,一种是使用集成100V以上浪涌保护能力的12 Pin OVP(如艾为的AW32905),另一种是使用OVP + TVS(Transient voltage suppressor,瞬态浪涌抑制二极管)的组合。方案示意图如下:



OVP芯片的工作原理是当充电电压在正常范围时,内部集成的功率管导通,手机可正常充电。当充电端电压超过过压保护阈值时,OVP迅速断开,防止过高的电压传递到后级器件而损坏充电口。



虽然TVS就可以起到泄放浪涌的作用,但是仅有TVS对充电端口的保护是不够的。一方面TVS只能对瞬态能量进行泄放,而对较高的DC电压无法处理,而许多Charger的输入DC耐压和SW引脚的耐压并不太高。



加入OVP后则可以在VBUS DC电压超过过压保护阈值时切断充电通路,以艾为的AW32905为例,默认过压保护阈值为6.8V,后级充电芯片输入端最高能看到的直流电压仅6.8V。


另一方面,浪涌电压越高,TVS的钳位电压越高,如果没有OVP,较高的瞬态电压也会打坏充电芯片。加入OVP后,由于OVP具有极快的过压响应速度,OVP的输出瞬态残压也能控制在较低水平。以艾为的AW32905为例,默认过压保护阈值为6.8V,打浪涌时其输出残压最高不超过8V,对于市面主流使用的Charger来讲都是非常安全的。



OVP作为充电端口的保护器件,是最靠近充电端口的,因此在整机上,OVP要么位于小板,要么位于主板边缘的FPC线附近。小板面积小、厚度薄,上面还有USB接口,用户使用时会频繁插拔,因此应力比较大,主板边缘也是应力大的地方。


CSP芯片在应力太大的情况下,可能导致芯片出现裂痕,进而功能失效。为了解决这个问题,艾为创新性地首先推出了FCQFN封装的OVP产品AW339XX和AW329XX系列。由于FCQFN封装的芯片外部有塑封材料包裹,因此抗应力能力更强,在遇到磕碰时也不易碎裂。



艾为过压保护方案


在当前手机品牌竞争白热化的时代,质量是手机品牌的生命,唯有给用户提供高质量的产品,赢得良好的口碑才能在激烈的市场中占有一席之地。手机充电是否安全,最能直观体现手机的质量,如果充电口烧毁,手机不能充电,会严重影响品牌形象。



艾为电子长期致力于提供高性能、高可靠性的过压保护(OVP)芯片产品,已经形成了不同规格、系列化的OVP产品线。下表是艾为OVP系列芯片的选型表:


△ 点击查看大图


采用艾为的OVP产品可以很好地解决前面所述的充电端口保护问题。以艾为主推的AW32905为例,AW32905应用于手机充电端口,串联在手机充电通路中,正常充电时导通。它使用了FCQFN封装,比CSP封装抗应力更强、更可靠。


AW32905集成了120V浪涌保护功能,当手机端遇到浪涌时,浪涌能量被AW32905泄放,因此可以单独使用AW32905保护充电端口,省去外部独立TVS,也可以外加TVS提升浪涌保护等级。


AW32905集成了导通阻抗仅27mΩ的功率开关,在2A及以下充电时,芯片发热量很小,不会引起手机外壳温度高发烫。


AW32905的典型过压响应时间仅50ns,当芯片检测到充电口电压过压时,芯片会立刻关断,断开充电通路,从而保护手机内部器件不被高压损坏。


综上所述,AW32905很好的抵御了充电口浪涌电压,保证了手机充电口安全,可以极大程度上避免手机因充电口损坏而造成的返修,是一款高性价比的过压保护(OVP)芯片产品。



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