手機(jī)USB充電面臨的綠色挑戰(zhàn)
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最危險(xiǎn)的是經(jīng)常發(fā)生的閃電浪涌。因?yàn)殚W電在輸電線上引起的浪涌電壓不只是在很少發(fā)生的房屋直接遭受雷擊時(shí)才會(huì)感應(yīng)到。事實(shí)上，每次閃電擊中電源線或僅僅擊中電源線附近的大地時(shí)，都會(huì)在(掩埋的)地線上產(chǎn)生增壓。這個(gè)波(電壓和電流)會(huì)通過(guò)電源線快速傳播，并穿過(guò)中心電站中的各個(gè)保護(hù)設(shè)備，甚至家庭的分電箱。然后，一個(gè)殘留的浪涌電壓會(huì)直接傳送到插著手機(jī)的電源插座上。
這個(gè)殘留浪涌電壓被表征為與雷擊波形相關(guān)的尖峰di/dt。大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)量已經(jīng)將這樣的浪涌電流模型化為下面的波形，在IEC61000-4-5中被定義為8/20μs脈沖。
在電流峰值的10%和90%之間的電流上升時(shí)間被規(guī)定為8μs，電流在20μs以后必須減小到峰值的一半。
對(duì)設(shè)計(jì)使用低電壓和低電流工作的電子設(shè)備來(lái)說(shuō)這種過(guò)電流確實(shí)非常危險(xiǎn)。一個(gè)好的保護(hù)裝置必須能夠通過(guò)地(GND)吸收掉這個(gè)過(guò)電流，并保持一個(gè)低的箝位電壓，從而保護(hù)充電電路不受損壞。
這種浪涌電壓比ESD浪涌更加強(qiáng)大，對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一個(gè)更艱巨的挑戰(zhàn)。
在法國(guó)(55萬(wàn)平方公里)，每年有100萬(wàn)次雷擊擊中大地!因此這種現(xiàn)象并不是意外。即使雷電擊中房屋的概率很小，但一年內(nèi)擊中房屋周圍幾公里內(nèi)的一棵樹(shù)或地面的概率接近100%。
家用電器不太容易遭受這些浪涌的侵害，但電子設(shè)備卻很容易。計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等家電在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了要插入輸電線，因此都有完善的保護(hù)。其他便攜式設(shè)備則采用帶有合適保護(hù)裝置的專用充電器，或通過(guò)可拆裝電池供電。但是，如果一個(gè)通用充電器出于成本原因不能有效防止這種浪涌電壓，那么手機(jī)就很容易在充電時(shí)受損。
由于工業(yè)事件或中高壓電源線上的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而引起的浪涌電壓，也可以模型化為8/20μs波形，但峰值電流會(huì)低一些。它們發(fā)生的概率也是很高的。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是保護(hù)器件上的功耗。能夠保護(hù)設(shè)備免受8/20μs之類浪涌電壓傷害的TVS二極管到處都有，但它們的漏電流可能高達(dá)20μA。通過(guò)一個(gè)很簡(jiǎn)單的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)擁有1,000mAh的電池和400小時(shí)待機(jī)時(shí)間的手機(jī)來(lái)說(shuō)，在偏置線上增加這樣一個(gè)器件將使待機(jī)時(shí)間縮短大約1%!
解決方案建議
設(shè)計(jì)師要在保護(hù)器件微型化、浪涌電壓下的效率，以及功耗之間做出艱難的權(quán)衡。
圖2是手機(jī)的一個(gè)典型拓?fù)淅樱谏鲜鋈齻€(gè)參數(shù)之間提供了可接受的折衷方案：
F2：USB的VBUS線采用的保護(hù)拓?fù)淅?/P>TVS二極管連接在充電器IC和USB連接器之間。TVS二極管越靠近連接器，ESD性能就越好。事實(shí)上，由造成電壓增加(V=Ldi/dt)的PCB金屬走線引起的ESD事件和保護(hù)電路之間的寄生電感也能被最小化。這種二極管可以承受30kV的接觸放電電壓(IEC61000-4-2)。對(duì)于這種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，8/20μs的性能很關(guān)鍵。在這種情況下，為了保護(hù)充電器芯片，二極管將吸收27A的峰值脈沖電流(IPP)到GND。這意味著，到達(dá)插座和USB充電器的浪涌電流可能達(dá)27A，這個(gè)電流將被GND吸收，而不會(huì)損壞TVS二極管或充電電路。充電器芯片見(jiàn)到的電壓在遭受浪涌期間(數(shù)十毫秒)不會(huì)超過(guò)18.5V，因此不會(huì)對(duì)芯片的完整性造成影響?？偟姆逯得}沖功率約500W。
如果出于任何理由，將TVS二極管連接到VBAT或另外一條永久偏置線，那么TVS二極管的漏電流必須非常低。這種解決方案的漏電流為0.5μA時(shí)可以滿足便攜式設(shè)備的要求。
最后，解決方案的占位面積必須非常小，以便在已經(jīng)集成了許多功能和許多芯片的PCB上得以實(shí)現(xiàn)。ESDA8V2-1MX2采用1.0mmx1.45mm的微型QFN封裝，最大厚度只有0.6mm。(end)
評(píng)論