手机充电系统设计中的挑战及其解决方案

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引言

目前市场上有多种类型的适配器可为锂离子电池充电并为手机系统提供电源，同时由于中国实施了统一的手机充电接口，只要兼容的USB接口的连接线都可以为手机充电，这样设计人员将无从得知消费者究竟使用何种适配器为手机充电，而这些适配器的电气规格会因为制造商的不同而各异，同时由于半导体工艺的不断进步，手机平台的主频和集成度越来越高，芯片面积越来越小，但平台芯片的耐压也随之降低，这些都为设计人员提出了严峻的挑战，要求设计人员必须设计出一个针对不同手机平台在使用不同适配器的情况下均能满足安全性和可靠性要求的手机充电系统。本文首先讨论手机充电系统面临的一些主要问题，然后针对这些问题提出了对应的措施，以帮助设计人员应对这些挑战。

手机充电系统面临的主要问题及应对措施

手机充电系统面临的主要问题有输入过压、如何兼容诺基亚适配器、不同要求的手机充电系统兼容设计以及手机充电系统外围器件的布局及PCB布线考虑等。

输入过压及过压保护

导致输入过压的原因有很多，如使用非稳压的或者不正确的适配器，某些国家的电网不稳导致适配器的输出电压随市电电压变化、适配器热插拔或负载瞬态变化时引起的瞬态过压等。使用非稳压的或者不正确的适配器和适配器热插拔时的瞬态是引起输入过压最常见的情况。

目前市场上常见的适配器根据特性可划分为两种：稳压适配器和非稳压适配器。稳压适配器的输出电压通过内部电路提供非常优秀的线性调整率(Line Regulation)和负载调整率(Load Regulation)，而非稳压适配器所提供的输出电压取决于负载。图1为典型的非稳压适配器和稳压适配器的输出电压与负载的关系曲线图。



图1：稳压与非稳压适配器的负载曲线图。

而在适配器热插拔时，也会出现瞬态的过压电压，由于适配器连接线的寄生电感效应，热插拔时会产生瞬态的输出振荡波形，经过一段时间的衰减后会稳定在DC值。图2为5.5V适配器热插拔时的瞬态波形，通常适配器热插拔时产生的瞬态过压峰值电压是其DC值的两倍左右。




图2：直流输出为5.5V的AC适配器热插拔时的瞬态过压波形。
随着半导体工艺的不断进步，手机平台的集成度和主频越来越高，芯片面积越来越小，随之带来的问题是平台芯片的耐压也随之降低。早期平台的耐压比较高，非稳压适配器的空载输出电压或者适配器热插拔时的瞬态过压手机平台是可以承受的。而采用先进工艺制程的手机平台由于集成度高，耐压低，前面所述的电压直接加到手机平台芯片上就有可能会引起芯片的损伤，所以采用先进工艺制程的手机平台就要求设计人员应用时需要在适配器和手机平台对应的充电模块之间增加一个输入过压保护(OVP)芯片，防止适配器输出的过高电压对手机平台芯片产生损伤。例如MTK的早期手机平台MT6305/5318、展讯的SC6600L的充电引脚最高可承受电压为15V，高通的QSC6240/6270的充电引脚最高可承受电压为18V，均不要求增加OVP芯片，而MTK的MT6223/6235/6238/6253由于充电引脚最高可承受电压只有9V，所以就要求增加OVP芯片，以防止适配器的过高输出电压对手机平台芯片产生损伤。


对于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐压只要和早期的几个手机平台芯片的耐压相同就可以了，因为早期的手机平台芯片已经大批量出货，在市场的长期应用验证了其耐压的安全性和可靠性，所以对于增加的OVP芯片，其可承受的最高耐压只要在15V以上就已经足够了。


出于充电时的安全考虑，手机平台一般会限制充电电压在7V以下，适配器输出电压高于7V若直接接到手机充电模块是不允许充电的，另外由于国内统一的充电接口标准的实施，适配器的DC输出电压大多集中在5～6V，针对国内适配器的特点，OVP芯片主要是为了避免适配器热插拔时的瞬态过冲对手机平台芯片的累计性损伤。




图3：适用于国内适配器的单芯片手机充电系统方案。

而上海艾为的AW3206就是一款能满足国内手机充电系统要求的OVP芯片。AW3206的OVP保护电压为6.8V，适用于适配器输出电压为5～6V的国内手机充电系统。对于热插拔的瞬态过压，AW3206的100ns过压保护反应时间能确保手机充电系统的安全。AW3206高达±8KV(HBM)的ESD保护和±450mA的Latch-up保护都是增加手机充电系统的安全性和可靠性的有力基础。

为了增加手机充电系统的安全性和可靠性，AW3206具有以下特点：

1、6.8V的输入保护电压，适用于适配器输出电压为5～6V的国内手机充电系统；
2、集成K-Charge技术的输入限流保护，既能在芯片温度低的时候保证比较大的充电电流，又能在芯片结温太高时智能调整输出电流来限制结温，性能与安全兼顾；
3、集成具有防反灌功能的充电P-MOSFET，既节省成本，又可防止待机时电池电流反灌；
4、锂离子电池过压保护和过温保护。
兼容诺基亚适配器的手机充电系统面临的问题及应对措施

根据市场研究机构Gartner在今年的调查数据显示，诺基亚在全球的市场占有率为34.2%，仍是手机中第一大巨头，而且在某些新兴市场国家诺基亚的市场占有率更高，比如IDC的调查数据显示诺基亚2009年底在印度的市场占有率高达54%。由于诺基亚手机的普遍性，诺基亚适配器也是唾手可得，所以可兼容Nokia适配器的充电系统是设计人员需要考虑的。



图4：诺基亚适配器AC-3C的输出特性曲线。

但在标准的诺基亚适配器中，有很大一部分适配器的输出电压是高于7V的，图3是诺基亚适配器AC-3C的输出特性曲线，从图中可以看出， AC-3C的输出电压在空载时为7.5V，而有的诺基亚充电器的输出电压会高达8～9V。为了适应诺基亚适配器，曾有如图5所示的用高压LDO设计的手机充电系统方案：



图5：针对诺基亚适配器的手机充电系统方案。

但这个方案会有一些问题，首先高压LDO由于工艺尺寸较大(为了承受高输入电压)，导通电阻RDS(ON)会比较大，诺基亚适配器的输出电压会随输出电流增大而逐渐降低，充电电流越大，输出电压越低，过大的LDO导通电阻会使电压进一步降低，而LDO后面的充电模块也有一定的导通压降，这样就可能会有加到电池上的电压太低而使电池充不满的情况。另外LDO多采用SOT23-5L的封装形式，高输入电压充电时在LDO内部的功耗比较大，散热会存在问题。没有OVP保护功能、整个方案的占板面积大、成本高也都是这个方案的缺点，所以一个适用于诺基亚适配器的单芯片手机充电系统方案是设计人员迫切需要的。



图6：适用于诺基亚适配器的单芯片手机充电系统方案。

而上海艾为推出的降压OVP——AW3208是专门针对诺基亚适配器推出的一款OVP芯片。AW3208的OVP电压高达10.5V，对于输出电压在8～9V的诺基亚适配器，AW3208工作在降压的LDO模式，输出给手机平台充电模块的电压为5.25V(CHRIN电压)，保证手机平台的充电模块可以正常充电，而对于输出电压在5～6V的适配器，AW3208的输出模式为直通模式，尽可能的减小导通压降，即使使用输出电压比较低的适配器，也确保能把电池充满。

对于输出电压比较高的适配器，工作在LDO模式的AW3208充电时内部功耗会比较大，除了具备过温保护功能和过流限流功能外，AW3208还集成了创新的K-Charge技术，充电时会持续监测芯片的结温，芯片结温升高到一定值后若继续升高，则芯片会减小输出电流以限定芯片内部功耗，尽量避免芯片结温继续升高至进入反复的过热保护状态，从而解决不能充电或充电时间过长的问题。

另外基于安全性和可靠性的考虑，AW3208具备AW3206具备的其他所有功能和特点。
针对不同应用的手机充电系统兼容性设计考虑

针对不同的应用，手机充电系统的要求是不同的，有时可能还是彼此矛盾的。比如为了适应诺基亚适配器，需要OVP芯片的OVP电压要高于9V。但在中国国内，若适配器的输出电压过高的话，国内的手机认证实验室的认证要求手机充电系统不能充电而处于保护状态。设计人员在面对这两种矛盾的要求时，往往只能设计两套不同的方案，如果有一种方案能同时兼容这两种矛盾的要求，对设计人员来说这个方案无疑是最佳的一个方案。

由于AW3206和AW3208引脚分布完全相同，同时从应用的角度来看，两颗芯片只是OVP电压不同，外围器件和原理图完全相同(见图3和图6)，而且对手机平台来说，软件控制也是完全相同，所以AW3206和AW3208刚好通过一个兼容设计来满足上面的两个矛盾的要求。

对于设计人员来说，设计手机充电系统时，可先按图3或图6设计好原理图和PCB的Layout，设计好后只需更改BOM而不要更改PCB就可以满足不同的要求了。

手机充电系统OVP芯片外围器件的选取及PCB布局布线的一些考虑

1、输入电容和输出电容的选取

AW3206和AW3208的输入引脚ACIN到地需要一个不小于1uF的输入电容。这个输入电容除了去耦外，还可以有效减小适配器在热插拔时由于连接线的寄生电感效应产生的瞬态过冲电压。另外这个电容建议选取耐压不低于15V的X7R或X5R陶瓷电容。
AW3206和AW3208同样在输出引脚CHRIN到地需要一个输出去耦合电容。这个电容对于AW3208尤其重要，因为输出电容对工作在LDO模式的AW3208的输出稳定性起着至关重要的作用，缺少这个电容CHRIN引脚的输出电压将会有可能振荡。这里推荐选取耐压为6.3V，电容值不小于1uF的X7R或X5R陶瓷电容。

2、PCB布局和布线的一些考虑和建议

PCB布局时需要考虑输入引脚ACIN和输出引脚CHRIN到地的输入电容和输出电容应尽可能靠近ACIN和CHRIN引脚，电容的焊盘和引脚之间应直接用一层走线，避免通过通孔用两层走线。

PCB布线需要考虑从ACIN引脚至充电接口的走线、OUT引脚到采样电流电阻的走线以及采样电阻到电池的走线在满足充电电流密度的基础上尽量宽，尽可能的减小走线的寄生电阻。

为了获得更好的散热性能，AW3206/AW3208的散热片应和GND引脚一起直接连接到PCB的大面积铺地层上，同时在散热片下面的铺地层再打上尽可能多的通孔，用通孔将所有铺地层连接在一起，通过通孔和大面积的铺地层减小热阻，提高散热性能。

本文小结

本文讨论了手机充电系统中面临的一些问题，并对这些问题提出了相应的应对措施，以帮助设计人员设计出能满足更稳定、更可靠要求的手机充电系统，使其产品能在众多的产品中独树一帜，而不是“泯然众人”。