配合移动设备应用充电新趋势的保护解决方案

配合移动设备应用充电新趋势的保护解决方ProtectionSolutionsMatchingNewChargingTrendsofMobileDevices'Applications

安森美半导体

为便携式产品的电池充电有几种方式。以手机为例，我们可以利用墙式适配器或者其它充电设备充电，这种方式提供的电流可以达到2A，墙式适配器产生的高压有可能达到30V；也可以通过USB线来进行充电，它可以提供500mA的充电电流，但是USB线上的高压也有可能达到20V；同时，我们也可以通过手机对附件进行供电，比如调频收发器等外部附件。加强充电、供电保护，使电池的安全性更高、可用时间更长、可用电压更宽、充电时间更短、生命周期更长，是移动设备发展的一个趋势。

直流充电通道的保护(从墙式适配器到电池)

图1是一个典型的充电电路示意图，该充电电路主要有以下几个问题：对于直接充电来讲，充电得不到保护；对于反向放电来讲，没有优化压降，同时也没有控制反向的放电电流。这些问题都会极大地影响系统的安全性、电池的可用时间以及电池的充电时间，与电池充电市场的发展趋势背道而驰，所以必须重新设计系统的保护方案。

我们知道系统的保护仅仅依靠充电器本身是不够的，需要添加额外的设想保护方案（Box）。相应的保护方案有两种：第一种是将设想保护方案集成在充电器IC里，第二种是采用独立的外部器件来进行保护，目前的大趋势是采用独立的外部器件。

针对对直接充电，设想保护方案首先应该解决浪涌电流效应的问题，其次应该解决正向和反向的过压保护，这两个保护功能是必须要有的。此外，还包括直接充电的过流保护以及电池电压的监测，这两项保护功能是可选的。

浪涌电流效应。由于寄生电感和输入电容的影响，充电器在热插入时可能产生高压的振铃，损害集成电路，此时我们需要控制保护方案内部的MOSFET，使系统内部的电流和电压不超过额定值。

正向和负向过压保护。由于AC-DC的瞬态、适配器故障或错误，保护方案的输出不能超过便携系统的最大额定电压，所以要保护源自墙式适配器的过压保障，需要具备 28V的正向过压保护以及-28V的反向过压保护。只有在过压比较器的输入比系统的最大额定电压低的时候，保护器件才能保持导通状态。

直接充电通道的过流保护。如果直接充电通道出现过流的话，可能会损坏系统。但是过流保护特性应该为可选的，主要是因为：首先，充电电路内的充电电阻会检测充电电流，并且由充电IC来控制该充电电流；其次，AC/DC转换器的输出能力是有限的，如果出现过流，AC/DC转换器的电压会急剧的跌落。

电池电压监测。截至目前为止，锂离子电池的最大电压为4.35V，在电池组中集成了电压监测功能，某些应用甚至集成了两个电池包的保护方案，而且充电电路也会监测电池电压，因此电池电压监测可以增加到设想的保护方案当中。但由于在系统中已经有多处提供了这种保护功能，因此该功能应该是可选的。

综上所述，设想保护方案（Box）必须具备下列特性：

1.过压锁定能力。只有在总线电压低于系统的最大额定电压的时候，保护器件才应该是导通的。如果出现过压，保护器件应该处于断开状态以保护内部的系统。

2.具备抗过压能力。采用墙式适配器充电的时候为 28V，利用USB充电的时候为 20V。

3.具有电流通过能力。利用墙式适配器充电的时候，电流可能达到1A甚至2A；在使用USB充电时，最大电流为500mA，

4.能够对浪涌电流进行控制。

5.保护器件与充电IC应该相互独立。

如果具备了以上特性，直接充电通道将会得到良好的保护。

反向供电通道(从电池到附件)

对于反向供电通道来讲，设想的解决方案（Box）必须解决以下几个问题：电池放电、反向过流、反向浪涌电流、短路保护，并尽量降低反向电路的电压电路。

电池放电。当输入电压低于电池电压时，应该避免电池放电，因为此时附件可能是没有插入的。这时应该采用背对背的解决方案，在Vin小于Vbat的时候，防止电池漏电。只有在检测到附件时，才支持反向供电。

反向过流保护功能。当连接错误的附件或有缺陷的附件的时候，电池仍然有可能放电到附件，而且反向放电的电流可能超过充电通道的电流通过能力。由于充电器无法检测到反向电流，因此需要增加另外的模块来检测反向电流。

反向浪涌电流抑制。插入附件的时候，如果没有电流保护方案，可能从电池流出极高的浪涌电流，而且可能产生过高的振铃，从而损害器件，所以必须采用电流监测功能来控制反向MOSFET的门极，从而消除振铃和浪涌电流。

短路保护。如果附件出现直接短路，可能会瞬时涌现源自电池的极高电流，所以保护器件应该提供过流保护，而且可以通过外部电阻对电流进行设置以适应不同的系统要求。另外，保护器件应该具有自动恢复功能，即当外部短路状况消除之后，系统会自动地恢复工作。

从电池到外部附件的电压电路。必须降低电池和附件之间的损耗，如果电压电路过高的话，会产生额外的损耗，影响到电池的可用电压。

综上所述，设想的保护方案（Box）应该具备以下的特性：

1.对于电池放电来讲，应该采用背对背的结构，防止电池漏电。

2.应该具备反向过流保护功能。

3.应该对反向浪涌电流进行控制。

4.应该对反向供电通道的短路进行保护。

5.导通电阻应该尽可能的低，即使通道的电压跌落尽可能的低，减少额外的损耗。

只有具备了以上特性，反向通道才能得到良好的保护。

因此，我们建议的解决方案的架构是：具有背对背的N-MOSFET、具备正向和反向的过压保护以及反向过流保护功能、具有极低的静态电流等功能。（图2）

&nbs[FS:Page]p; 集成解决方案的细节

图3所示为集成解决方案的细节框图，由于采用的是背对背的N-MOS结构，通过第一个N-MOS（标识1）的门极，可以防止浪涌电流进入系统内部，同时这个N-MOS也提供正向的过压保护。

背对背N-MOS结构的另一个N-MOS（标识2）提供-28V的过压保护。之前采用的一般是P-MOS，但相对于P-MOS，N-MOS的导通电阻更低，使电池能够工作在更低电压下。同时N-MOS支持更大的电流，而且这个N-MOS还通过检测电流来控制反向通道的浪涌电流，提供反向过流保护。

此外，方案还应提供过流保护（标识3），并且过流保护的电流值可以通过外部电阻设定。同时集成方案还要提供状态标记引脚（标识4）以及逻辑控制引脚（标识5），并控制芯片的工作模式。

更多详细内容，敬请登陆中电网在线座谈网址：

http://seminar.eccn.com/090326/jchf.asp

问答选编

问：怎样解决USB特别容易受到静电放电影响的问题？

答：静电保护需要从“防”和“泄”两个方面入手：“防”是尽量防止ESD产生或者进入系统（比如通过USB接口）；“泄”是在ESD产生后使其能量尽可能快、尽可能多的泄放掉。从而抑制最终进入系统的干扰。

问：在选择电池充电电路的充电功率元件时应注意什么？

答：1、器件的功耗是首先要考虑的，在最恶劣的充电条件下(输入电压最高、充电电流最大、电池电压最低、工作环境温度最高时)，器件结温不能超过器件的最大值；2、器件的电流应大于充电的额定电流；3、器件的耐压应大于充电器可能出现的最大电压；4、器件的控制特性应该和充电控制器相匹配。

问：USB充电的电压范围是多少？

答：USB充电的电压范围为4.75V到5.25V。

问：什么是反向充电？与直接充电有什么区别？

答：反向充电或反向放电指的是移动设备为其他外部设备充电/供电。比如在USB-OTG的应用中，USB主设备可以为从设备供电。

问：在过流保护中，如何应对大电流可能带来的高温问题？

答：充分考虑器件的热阻、散热处理、控制器件两端的压差以及器件自身的过热保护功能；在满足充电时间的条件下，尽可能采用小电流充电。

问：对于新型的充电器，如风力移动充电和太阳能充电，如何保护采用新型充电方式充电的电池和设备？

答：无论是何种充电，考虑的安全因素都是一样的：电压、电流、热。风力和太阳能充电，输入电压的范围会更大一些，还牵涉到最大功率匹配的问题，充电器本身的设计相对复杂。充电的拓扑结构可能要做些调整，由线性充电方式改为开关调整充电方式（不同于开关充电）。

问：使用PWM方式进行锂电池充电效果好还是线性充电的效果好？各有什么特点？

答：PWM充电方式有两种：一种是通过PWM电流脉冲直接给电池充电，这是一种不安全的充电方式（对锂电池而言），不推荐使用；另一种方式是PWM的DC/DC变换取代线性调整器件，可在输入电压和输出电压的压差大或输入电压变化大、充电电流大的条件下采用，可以大大提高充电效率、降低温度，但成本较高、电路相对复杂。线性充电的电路简单、成本较低，适用于充电电流不大、输入-输出压差不大的情形。

问：充电IC内是否带有失电保护，比如突然停电，造成对充电IC的破坏？

答：失电对充电IC是没有损害的。一般失电对IC造成损坏的原因是充电器失电的过程中形成输出电压过充引起的，这点需要十分注意！这就是为什么总有器件莫名其妙损坏的一个重要原因。

问：我曾经用过USB的转换充电器给手机充电，但是总感觉充电不会很满或者很久都充不好，请问问题出在什么地方？

答：出现这个问题的主要原因是充电调整器件的压降太大引起。请选用低Vf的防反放电二极管或双P-MOSFET充电。

问：NCP系列产品是否也用于数据传输时的异常保护？

答：没有，NCP362系列可以提供ESD保护能力，但不对数据传输异常进行保护。

问：能不能防止电源接反造成的损坏？

答：针对反电压，可以外加P-MOSFET；针对反电流，可以选用二极管。

问：USB充电的结束条件是什么？即电池充满是如何定义的？

答：一般在充电进入恒压状态并且电流小于0.1C时，我们就认为充满了。

问：USB充电的确很方便，但是电流很小，如何解决这个矛盾？

答：用高效的DC-DC替代线性充电调整器件。