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手机USB充电面临的绿色挑战 |
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作者：STMicroelectronics公司 Jean Garcia |
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谁能想到手机产业会影响环境？当你在思考如何减少生态污染时，想到的可能是改变汽车设计，或使用绿色能源，根本不会是手机。然而，我们确实看到手机充电器对环境造成了很大的影响。手机行业已经开始使用通用充电解决方案(UCS)来解决这个问题，UCS将改变手机制造商设计手机的方式。本文将对实现安全充电接口需要考虑的因素加以分析。
一个手机用户一年会产生约17公斤的二氧化碳，相当于汽车行驶111公里。这个数字不是很大，在保护环境方面似乎不是优先考虑的对象。然而，如果换一个角度看，你会发现，去年全球手机出货量达12亿部，每一部手机都有自己专用的充电器。在这12亿部手机中，估计有5亿部是替代性手机。拿到一部新手机通常都会让人兴奋不已，但人们对更换充电器显然没有任何兴趣。当你认识到手机更新换代的周期平均是18个月，而大多数手机都有专用充电器(包括同一个牌子的手机)，那么对家里冒出3到4个没用的手机充电器就不会感到奇怪了。事实上，以前的充电器适用于新手机的概率只有10%左右。
这也是我们开始看到政府和机构以及手机产业中的著名企业成立专门组织来减少这种浪费的原因了。
中国信产部在2006年12月颁布了一份新的标准，即YD/T 1591-2006，旨在标准化墙式充电器和连接电缆。在中国市场上发布的每部新手机都必须经过认证以符合这一标准要求。
2009年2月在巴塞罗纳举行的最近一次移动世界大会上取得了另外一项重大进展，即GSMA(包括5家全球最大的手机制造商)和17家手机运营商一致同意在2012年前提供使用微型USB连接器的通用充电解决方案(UCS)。
这一行动将有望消除高达51,000吨无用的手机充电器。假设手机充电器的生产量每年会削减两成，那么这个产业每年有望减少1,300～22,00万吨的温室效应气体。
除了对生态有明显影响外，当你周末与家人一起出去度假时你就不再需要携带两三个充电器了，你完全可以找某个人借一个充电器给你的手机充电。
标准化
然而，为了使UCS取得成功，对手机制造商的第一个要求是其对通过USB对电池充电的标准表示赞同。于2007年8月8日颁布的电池充电规范1.0版本，规定了便携式设备从USB专用充电器获取电流的限制和检测机制。中国通信标准YD/T 1591-2006对在中国发布的手机也提出了同样的要求。
手机需要检测并判断插入的是一个USB充电器还是另一个进行数据交换的终端(如计算机、其他手机等)。为了做到这一点，D+和D-在USB充电器内被短路(通过一个必须小于200Ω的电阻RDCHGR_DAT)。如果有个设备通过USB端口连接到手机，D+线将被驱动到VDAT_SRC电压，吸收电流为IDAT_SRC。如果在D-线上检测到一个特定电压(取决于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC)，即意味着手机连到了USB充电器。
上述电池充电规范规定充电器最大输出电流必须是1.5A，充电器最大输出电压必须是5.25V。中国的YD/T 1591-2006规定充电器最大输出电流为1.8A。
主要挑战在于保护
然而，主要挑战还不是如今已有完善规定的电池充电标准，而是USB充电器的质量。事实上，一部昂贵的智能手机可能被连接到一个质量很差的USB充电器，比如没有充电监视、没有保护、噪声很大等等。如果手机被外部充电器弄坏用户是不能接受的，而且可以肯定的是，如果某个品牌的手机很容易因充电而损坏，那么这个手机牌子给人的印象会大打折扣。
因此，由于手机制造商再无法控制墙式充电器的质量，因此他们需要将保护电路直接安装在终端内部。保护手机要比保护充电器更具挑战性，原因有两个：
1. 由于已经集成了数百项功能，手机的PCB尺寸大大减少。保护装置的厚度必须适合超薄手机(总共才7mm厚)或翻盖手机。
2. 保护装置不能影响手机本身的性能，因此漏电流必须非常低。
为了选择合适的保护器件，手机设计师必须对连接到USB端口的内部充电电路进行风险评估。
第一个人们熟知的风险是静电放电(ESD)。ESD可能在任何时间发生，无论手机是否在充电。用户只要触摸USB连接器，就可能向USB电路引入高达30kV的ESD浪涌电压。很多设计师已经知道，USB端口必须用能够承受至少IEC61000-4-2标准中4级浪涌电压(8kV接触放电)的器件进行保护，对于他们来说，这并不是新的风险。市场上大量的瞬态电压抑制器(TVS)二极管足以用来减轻这个风险。
F1: 发生器输出端的短路电流波形(8/20μs)
然而，如果我们认为不能依赖于USB充电器的质量，那么第二个风险随之而来：手机被直接连到室内的输电线，因此很容易受到这些输电线上出现的任何浪涌电压的侵袭。这是设计师需要考虑的新的因素。在室内输电线上出现的主要干扰源有：
1. 由于工业事件(附近的车间，工厂等)或外部中高压电源线上的动作(电源分配网络中的开关等)引起的浪涌电压。
2. 由于闪电引起的浪涌电压。
最危险的是经常发生的闪电浪涌。因为闪电在输电线上引起的浪涌电压不只是在很少发生的房屋直接遭受雷击时才会感应到。事实上，每次闪电击中电源线或仅仅击中电源线附近的大地时，都会在(掩埋的)地线上产生增压。这个波(电压和电流)会通过电源线快速传播，并穿过中心电站中的各个保护设备，甚至家庭的分电箱。然后，一个残留的浪涌电压会直接传送到插着手机的电源插座上。
这个残留浪涌电压被表征为与雷击波形相关的尖峰di/dt。大量实验和测量已经将这样的浪涌电流模型化为下面的波形，在IEC61000-4-5中被定义为8/20μs脉冲。
在电流峰值的10%和90%之间的电流上升时间被规定为8μs，电流在20μs以后必须减小到峰值的一半。
对设计使用低电压和低电流工作的电子设备来说这种过电流确实非常危险。一个好的保护装置必须能够通过地(GND)吸收掉这个过电流，并保持一个低的箝位电压，从而保护充电电路不受损坏。
这种浪涌电压比ESD浪涌更加强大，对设计师来说是一个更艰巨的挑战。
在法国(55万平方公里)，每年有100万次雷击击中大地!因此这种现象并不是意外。即使雷电击中房屋的概率很小，但一年内击中房屋周围几公里内的一棵树或地面的概率接近100%。
家用电器不太容易遭受这些浪涌的侵害，但电子设备却很容易。计算机、电视机等家电在设计时就考虑到了要插入输电线，因此都有完善的保护。其他便携式设备则采用带有合适保护装置的专用充电器，或通过可拆装电池供电。但是，如果一个通用充电器出于成本原因不能有效防止这种浪涌电压，那么手机就很容易在充电时受损。
由于工业事件或中高压电源线上的开关动作而引起的浪涌电压，也可以模型化为8/20μs波形，但峰值电流会低一些。它们发生的概率也是很高的。
第二个挑战是保护器件上的功耗。能够保护设备免受8/20μs之类浪涌电压伤害的TVS二极管到处都有，但它们的漏电流可能高达20μA。通过一个很简单的计算可以发现，对于一个拥有1,000mAh的电池和400小时待机时间的手机来说，在偏置线上增加这样一个器件将使待机时间缩短大约1%!
解决方案建议
设计师要在保护器件微型化、浪涌电压下的效率，以及功耗之间做出艰难的权衡。
图2是手机的一个典型拓扑例子，它在上述三个参数之间提供了可接受的折衷方案：
F2：USB的VBUS线采用的保护拓扑例子
TVS二极管连接在充电器IC和USB连接器之间。TVS二极管越靠近连接器，ESD性能就越好。事实上，由造成电压增加(V=Ldi/dt)的PCB金属走线引起的ESD事件和保护电路之间的寄生电感也能被最小化。这种二极管可以承受30kV的接触放电电压(IEC61000-4-2)。对于这种应用来说，8/20μs的性能很关键。在这种情况下，为了保护充电器芯片，二极管将吸收27A的峰值脉冲电流(IPP)到GND。这意味着，到达插座和USB充电器的浪涌电流可能达27A，这个电流将被GND吸收，而不会损坏TVS二极管或充电电路。充电器芯片见到的电压在遭受浪涌期间(数十毫秒)不会超过18.5V，因此不会对芯片的完整性造成影响。总的峰值脉冲功率约500W。
如果出于任何理由，将TVS二极管连接到VBAT或另外一条永久偏置线，那么TVS二极管的漏电流必须非常低。这种解决方案的漏电流为0.5μA时可以满足便携式设备的要求。
最后，解决方案的占位面积必须非常小，以便在已经集成了许多功能和许多芯片的PCB上得以实现。ESDA8V2-1MX2采用1.0mmx1.45mm的微型QFN封装，最大厚度只有0.6mm。(end)
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(8/5/2009) |
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