便携式设备充电电路的分立器件保护方案风扇
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便携式设备充电电路的分立器件保护方案
便携式设备充电电路的分立器件保护方案 2011年12月03日 来源： 便携式电子系统往往需要通过一个墙体适配器(交流－直流转换子系统)利用外部电源为其内部电池充电。如今的电池组大都采用了锂技术，因为锂技术能减小便携式产品的总重量。但另一方面，这种产品必须遵守严格的充电规则。需要注意的是，充电步骤如果出现问题可能会导致锂离子温度升高、热量失控而产生爆炸，威胁人们的生命。要避免出现此类事故，首选的安全措施之一就是从外部来保护负责管理电池组充电的内部充电器。 过压现象产生的根源 为保证充电电压不超出系统所能承受的最大额定电压，便携式设备和移动设备供应商一般都会随设备提供专用的墙体适配器。使用此类适配器就能保证AC-DC转换器的输出电压得到很好的控制，输出纹波受到较好的抑制。 然而，尽管设备供应商明确建议用户只能使用原装充电器，后装配件仍然有它的市场，为旅行方便，或仅为在原装配件坏掉后保证设备的继续使用，用户可能会使用第二个或者第三个墙体适配器。 根据适配器复杂度的不同，其瞬时输出电压有可能远远超出制造今天这些小型便携式产品所采用的敏感电子器件的额定电压。 导致墙体适配器输出电压增大的另一个可能的原因是光偶反馈的损耗(SMPS充电器)，这一故障即便在高端AC-DC市场也可能出现。此时，输出电压可能增大至20V，如果使用过压保护器件(OVP)，可以避免系统中直接面对如此危险的电压。 由于适配器电缆中的串联电感，热插拔AD-DC转换器也可能导致过压现象出现。此时的最大纹波电压取决于移动设备的输入电容和电缆的寄生电感。而如果在该移动设备上增加一个OVP器件，OVP的软启动特性就会消除热插拔所带来的过冲效应。 OVP的设计考虑 与前几代过压保护器件不同的是，为了节省PCB空间，新的OVP中如今集成了旁路元件(N MOSFET或 P MOSFET)。在计算双芯片方案的PCB面积时，必须考虑器件的封装尺寸和两个器件之间的布线宽度。新一代OVP的PCB空间与老一代驱动＋MOSFET方案相比最多可节约60%。但是，考虑到改善因充电电流引起的散热问题，仍必须仔细设计PCB布线。安森美半导体的数据手册文档中给出了焊接点到空气的热阻Rθ曲线。 此外，为了降低与芯片内部焊盘相连的焊接点温度，还必须再增加额外的铜表面。由于这个芯片内部焊盘与NMOS的漏极相连，因此添加的额外铜表面应连接到IN管脚或连到一个独立的平面，而且这个铜表面绝对不能接地。 此外，过压阈值的定义也很重要。OVLO和UVLO阈值由内部比较器决定，当出现过压或欠压时，内部比较器会切断旁路元件。 OVLO所定的电平必须高于AC-DC的最大输出工作电压并低于系统首个元件的最大额定电压。图1所示为一个基于全集成OVP器件的典型便携式设备的结构(此处的OVP采用的是NCP347MTAE)。
图1：基于全集成OVP器件的典型便携式设备的结构
为保证工作的稳定性，还必须在器件前方尽可能靠近IN管脚的地方放置一个输入电容。该电容的特性必须与保护器件的特性一致。 首先要检查的是该电容的直流偏置曲线，以保证其工作时所能承受的电压高于UVLO到 OVLO这个电压范围。例如，假设保护器件前方需要一个1µF的陶瓷电容。 考虑到陶瓷电容的击穿电压(200V以上)高于保护器件的最大额定电压(30)，因此在此类产品上可以使用一个10V/1 µF或16V/1µF的电容。每个电容的具体击穿电压取决于所用陶瓷材料的品质。图2给出了0603/X5R/1µF/16V这款电容的直流偏置和直流击穿电压。
图2：陶瓷电容0603/X5R/1µF/16V的直流偏置和直流击穿电压
主要产品特性 今天，我们已经可以在很小的产品封装内实现极低的Rdson。例如采用2×2.5mm WDFN封装 的NCP347，其Rdson只有110mΩ，但却能承受高达2安培的直流电流。25℃室温下墙体适配器到充电器之间的典型压降为52mV。由于损耗极小，因此此类产品可支持低输出电压的墙体适配器。适配器到充电器之间的压差越小，便携式器件的散热越少，对墙体适配器负载调节不佳的承受能力也越强。 而新型充电器结构的出现，使得内部开关能在很低的功耗下实现快速关断。一般情况下，下游系统中不会出现瞬态过压。在上面提到的例子中，典型的关断时间是1µs，最长也只有5µs。 新器件上可能会增加一个用于启动器件，或在我们希望将系统与墙体适配器隔离开时将其拉高就能切换到电池供电方式的“使能”管脚。另外，还可以用一个状态管脚来监控电压值。当该管脚处于开漏极输入状态时，必须通过一个最小为10kΩ的上拉电阻将其上拉到电池电压。 如果将状态管脚连到一个微控制器的输入，并将“使能”管脚连到微控制器的输出，就可以在器件输入管脚上的电压持续出问题时完全切断OVP器件。而微控制器又可以根据状态管脚的情况，在合适的时候接通OVP。 为新标准设计新方案 IC制造商们为解决过压问题以及有效保护他们的器件，提供了新颖的解决方案，例如安森美公司的NCP347和NCP348。由于能承受2安培的充电电流并提供高达28V的保护，而且关断速度极快，因此这些全集成的方案基本上能满足大多数应用的要求。为了满足不同AC-DC输出电压的要求，我们提供了一些OVLO阈值不同的产品版本。它们的Rdson、关断时间和耗电情况都能满足最严苛的要求。 值得一提的是，其中有一款产品兼容USB充电，特别适合新的中国充电标准。事实上，现在已经有越来越多的便携式设备开始配备USB连接器，能通过USB连接器与带USB接口的主机或墙体适配器相连实现充电。 作者：Bernard Remaury 应用工程师 安森美半导体公司低压电源管理业务部 (end)