配合行動設備不同充電應用的全面保護方案

採用電池供電的移動設備如手機、數位相機、手持全球衛星定位(GPS)系統等,在日常的充電/供電應用中,它們的電池都面臨著正向/負向過壓、過流等眾多風險,故需要安全且小巧的電池充電管理,以盡可能的使電池的可用時間較長、可用電壓較高、充電時間較短及電池生命週期時間較長等。

我們把普通牆式適配器或USB充電適配器到行動設備電池的通道稱為直接充電通道,而把行動設備電池到外部附件(如調頻收發器、負載揚聲器和閃光模組)的通道稱為反向供電/充電通道。

安森美半導體身為全球領先的高能效、高性能半導體方案供應商,針對行動設備不同的充電應用提供結合不同特性的過壓保護方案, 包括符合YD/T1591 手機充電器及介面標準,具有低導通阻抗,符合USB1.1/2.0電流消耗要求,具有快關閉時間,支援軟啟動,並為客戶提供完整的技術支援。

例如,在針對電壓/電流可達30 V/1A~2 A的牆式適配器充電保護方面,安森美半導體的正向過壓保護(OVP)元件包括NCP345/NCP346(僅驅動器)、NCP347/NCP348(整合N溝道MOSFET),以及正在提供樣品的整合NMOS、採用WDFN 1.6×2 mm/1.6×1.8 mm極小封裝的NCP349等等。其中NCP347/NCP348提供市場上最低的導通阻抗(典型值65 mΩ),具有極短的關閉時間(典型值1.5 us),能處理高達2 A的充電電流,欠壓鎖定(UVLO)和過壓鎖定(OVLO)電壓能藉金屬調整(Metal Tweak)在2.5 V至7 V範圍內改變,為行動設備提供強大的正向過壓保護功能。此外,安森美半導體還為牆式適配器充電保護提供結合OVP與過流保護(OCP)的元件,如NCP370(正/負向OVP及反向OCP),以及正在提供樣品的NCP366(整合PMOS)和NCP367(整合PMOS和Vbat引腳)等。

而在針對USB適配器的充電保護方面,安森美半導體整合PMOS的NCP360提供正向過壓保護功能,整合PMOS的NCP361提供正向過壓保護及過流保護功能;此外,結合OVP、OCP和靜電放電(ESD)保護的NCP362也正在提供樣品。下文我們將以NCP370和NCP362為例,探討這些元件如何為行動設備充電應用提供可靠的保護方案。

NCP370為行動設備電池充電/供電通道提供雙向保護
行動設備的直接充電通道面臨著突波電流效應和正/負向過壓等風險。適配器熱插入的瞬間,由於線纜的寄生電感和輸入電容的緣故,危險的高壓振鈴可能會損害行動設備中敏感的積體電路(IC)。在這方面,設想的行動設備保護方案應可通過控制保護方案內的MOSFET的導通,使行動設備輸入電流和輸入電壓不超過IC所能承受的電壓值,從而保護行動設備免於源自各種應用環境下可能存在的過壓故障的損害,如由適配器內部故障產生的正向過壓、適配器插反產生的負向過壓等。

而在反向供電/充電通道方面,設想保護方案也必須解決電池放電/反向放電過流、反向突波電流、反向直接短路和反向通道電壓跌落等問題。

圖1:安森美半導體的正/負向OVP和反向OCP元件NCP370的功能模組圖。

安森美半導體的NCP370是實現上述保護方案設想的業界首款整合型雙向保護元件,其功能模組圖如圖1所示。其中,在針對直接充電通道的保護方面,新的NCP370提供高達+28 V的正向過壓保護和低至-28 V的負向過壓保護,顯著改善可攜式設備的前端保護能力。同時NCP370還內置過壓鎖定(OVLO)電路,在過壓條件下,只要輸入電壓超過OVLO閾值,輸出就就會被關閉。NCP370整合了兩顆典型值為130 mΩ的低導通阻抗(Ron)的N溝道MOSFET(即NMOS),支持高達1.3 A的大充電電流。而從圖2中可以看出,NCP370採用了兩個背靠背(back-to-back)的NMOS。控制第1個NMOS的門極,可以消除直接充電通道的突波電流和正向過壓。

圖2:安森美半導體NCP370的典型應用電路圖。

在反向供電通道保護方面,兩個NMOS構成的背靠背方案能夠在輸入電壓低於電池電壓時避免電池放電。如果行動設備的外部附件出現直接短路,可能暫態出現源自電池的極高電流。NCP370中,與第1個NMOS背靠背的第2個NMOS控制反向通道突波電流及過流,而過流保護值為1.75 A(典型值),過流保護的限流設定還可通過外部電阻來調節。此外,NCP370整合的NMOS的導通阻抗極低,使由於導通阻抗引起的電壓跌落極低,減少額外損耗,並使附件可用電壓更高。

綜上所述,安森美半導體的NCP370雙向(直接充電保護+反向供電保護)保護元件提供上述設想保護解決方案的全部特徵。對於設計人員而言,這元件的一項突出優勢就是提供反向過流保護且過流保護閾值可通過改變電路參數來調整,使用起來非常方便。此元件具有低於1 µA的極低待機電流,可以避免在拔出牆式適配器或手機關機時的電池放電,從而延長電池使用時間。此外,NCP370還提供熱保護,出現內部過熱時,整合的熱保護功能會關閉內部MOSFET,以降低元件溫度。它的輸入引腳在靠近輸入引腳放置1個1 µF電容的配置下,NCP370可抵抗IEC61000-4-2 ESD測試規範中第4級±15 kV空氣放電及±8 kV接觸放電。

NCP362為行動設備USB 2.0應用提供OVP、OCP、和ESD保護
除了NCP370這樣的新元件,迄今為止,設計人員仍需要採用獨立的OVP、OCP、瞬態電壓抑制元件(TVS)等元件來保護易受損害的行動設備,使其免受源於USB主設備(host)、牆式適配器、人體及不適配的交流-直流(AC-DC)適配器的電氣突波和靜電放電影響,以保護行動設備。

安森美半導體的NCP362是業界首款整合過流保護和ESD保護的過壓保護(OVP)的元件。把NCP362置於行動設備的USB連接器之後,可為USB埠提供+20 V的過壓承受能力。NCP362過壓保護電壓設定為5.675 V,一旦外部匯流排電壓超過此保護電壓,NCP362將在1.5 us內關斷內部MOSFET,使VBUS鏈路開路。如果某些特定應用需要不同的過壓保護電壓,還能採用金屬調整(Metal Tweak)來改變OVP電壓,滿足客戶的不同要求。此外NCP362還提供過流保護,如果匯流排電流超過750 mA就使內部MOSFET開路。

NCP362元件的OVP和OCP回應速度都非常快,典型關斷時間為0.7 us,最大1.5 us,可為系統提供高效的保護。此外它整合了高速ESD保護二極體用於資料線路(D+和D-)保護,並整合了TVS用於USB埠的VBUS引腳保護,可承受IEC 61000-4-2 第4級 ±15 kV空氣放電及±8 kV接觸放電測試。

總結:
手機、數位相機等行動設備會採用牆式適配器、修配用適配器或USB適配器來充電,並可能需要為其外部附件供電。設計人員需要結合不同的應用要求來設計充電/供電保護方案。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效半導體方案供應商,提供豐富的過壓保護元件,在OVP的基礎上結合不同保護特性,滿足設計人員的不同應用需求。本文簡要介紹了安森美半導體的過壓保護方案,並以NCP370和NCP362為例,重點探討它們的特性、優勢,特別是如何滿足行動設備充電應用的保護需求,幫助設計人員選擇適合的保護元件。安森美半導體還為客戶提供完整的技術支援和客戶服務,幫助他們在市場競爭中佔據有利位置。

供稿:安森美半導體

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