最新一代可充电便携式产品的充电保护解决方案

最新一代的可充电便携式产品在产品中集成了充电控制器，可以方便地在移动中进行充电。由于集成的充电座已经被简化为一个简单的适配器，这就产生了新的问题。交流适配器/充电器与便携式产品的连接是一种最容易产生问题的“真实”接口。适配器将交流电源或汽车电池转换为一个电子设备能够接受的电平。因适配器的复杂度不同，输出电压的输出瞬态值可远远超过构成当今便携式小体积产品的敏感电子元件的标称值。由于亚微米硅技术取得的进步而使许多集成电路的工作电压降低，这变得更加关键。例如，在所示的内部充电控制电路中，最大电压标称值通常只有7V。

消费者不会仅仅为适配器而购买便携式产品。适配器是必需的，但也会给用户带来麻烦，它必须像价格更高的产品(例如与之配套购买的手机)一样能够随身携带。但是，用户在实际使用中一般不会对它特别注意。因此，将其掉落在地，或置于恶劣的温度环境中，或者将其弄湿均有可能造成损坏。这会引起适配器内部电子元件之间的各种故障模式、开路和短路。即使用户正确操作，交流电源的浪涌也可能损坏适配器或通过适配器传递到便携式产品上。而且，随着越来越多便携式产品的出现，它们都有各自的适配器；用户可能将别的适配器插到其电子产品中，从而有可能损坏产品。此外，即使是零件市场上有与特定产品兼容的充电附件出售，其质量和输出电压精确度也与原始生产商的充电附件有所差异。适配器中的这些故障和缺陷可能而且通常会产生损害便携式产品内部敏感电子元件的过压现象。产品设计者面临的挑战是提高设计的坚固性，并且避免可能使产品受到损坏的情况。

适配器类型和典型的故障情况

为了保护产品，设计者必须了解连接到其产品的适配器类型，以及产品可能产生的故障类型。三种通用适配器的结构是限制电流的带有或不带有后期稳压的50/60 Hz变压器、开关型电源(SMPS)适配器和直流-直流汽车充电器。它们都是限制电流和电压的电源，便携式产品用于偏置其自身内部的充电系统。

图1(下)所示的墙式变压器是三种类型中最经济的一种。对于这种拓扑结构，变压器将输入端与次级隔离。D1-D4二极管对变压器降压后的电压进行整流。没有后稳压的变压器在A点输出，有后稳压的变压器在B点输出。R代表绕组的内阻。

这种设计的不足是其重量较大、尺寸较大、缺少通用输入电压以及V/I特性曲线。重量较大是因为变压器必须以这么低的频率工作(50/60 Hz)，但其所需的零件数量少也使其更加经济有效。最后，这种设计不是一个通用输入，因为根据交流电源的110V或220V输入，变压器必须有固定的匝数比。没有后稳压，电阻R可以为几十欧姆，因为那是适配器的电流限制。对于没有后稳压的解决方案，V/I曲线是变压器内阻的函数。因此，电压在低负载时升高，在高负载时降低。在适配器具有后稳压器的情况下，后稳压器提供电流限制。所以可以使用较低等效绕组电阻的变压器。

变压器负载不足时可能产生过压。如果没有电流通路，例如没有与输出电容并联的分泄电阻R_bld，在输入端的电压脉冲引起电压上升，并且继续对电容器C充电。系统启动时，适配器会把这种高电压加在负载上。设计者在设计充电器接口时必须考虑这种情况，这可能是有或没有后稳压的一个问题。如果不带后稳压，这种电压可能会损坏便携式设备中的充电控制元件。如果带后稳压，它可能损坏后稳压器。如果后稳压器发生短路故障，过压可能会直接加到敏感元件上。

另一种故障模式是用户试图在一个220V系统中使用110V适配器而产生的。匝数比会使变压器的输出电压过高。因此适配器和任何与其相连的器件会发生故障。这个问题对产品设计者显而易见，但不是所有的用户都能理解这些问题，因此必须考虑这种情况。

SMPS结构产生了方形的V/I曲线，具有精确的输出电压和更小更轻的形状系数，并且将输出与交流电源隔离开来。但是，这种解决方案需要更多的元件和更高的成本。D1-D4以及C1对50 / 60 Hz交流输入进行整流和滤波。U1是初级端SMPS控制器，根据来自次级端的光耦合反馈控制输出。U1一般在60到100 kHz下工作，因此可使磁性元件的尺寸最小。Rsense的限流作用限制了输出电流，创造了一个CCCV(恒流/恒压)的特性。

SMPS充电器的一种可能的故障模式是丢失光耦合器的反馈。当输出电压减小时，光耦合器降低了到初级端控制器的反馈信号。如果光耦合器开路或到板的连接不良，初级端控制器会使电压大幅降低。因为不再有任何反馈，输出电压可大大高于敏感元件的安全电平，而且传输到负载的能量是反馈变压器电感和初级端控制器电流限制的函数。光耦合器反馈的丢失可能会因为冷焊接点等制造缺陷，加上消费者的不妥当操作而发生。

图2是一种在汽车充电器中使用的典型直流-直流降压变换器，其特性与SMPS墙式适配器非常相似。适配器的输入电压范围为10-18V，可能有电压脉冲。与两种墙式适配器不同，降压变换器不需要与电源隔离。由于在汽车系统上存在电压脉冲，变换器输入上的TVS、D1是必需的。

该电路对便携式产品的最大威胁是，输入TVS不能保护变换器免受汽车电源瞬态值的影响以及变换器发生短路故障。它将汽车附件端口直接与负载相连，对于非工业汽车大约在12-16V。

解决方案

以上列出的图形显示了适配器可能发生故障的许多情况，而且故障模式易于导致直接与便携式产品连接的过压现象。解决这个问题的一种方案是通过一个高端MOSFET将其与敏感元件断开，以快速中断高压现象。图3中的电路就是为这个目的而设计。NCP345监视输入电压并且不会使MOSFET导通，除非输入电压在上限为7.08V的安全工作范围内。VCC和IN引脚可以承受最高30V的瞬态电压和25V的稳态电压。它可以确保在1us之内断开一个12nF的负载，这对于防止大多数电路产生过压现象已经足够，因为典型的MOSFET输入电容位于1000-1500 pF的范围内。与输入并联的齐纳二极管也可以用于滤去串联FET电路没有滤去的任何高速瞬态电压。与输出并联的齐纳二极管可以避免MOSFET快速断开时，引线电感产生的任何电压脉冲。低电感引线的正确布局可以大大减轻这个问题。与电路输出(C1)并联的电感有助于降低瞬态电压转向的速率，因而在FET断开之前，它们不会到达敏感负载。该电容的参数也需要考虑到对高电压瞬态值的处理。最后，如果适配器与地短路，肖特基二极管防止电池电流流过MOSFET的体二极管。它也应该考虑到对高电压瞬态值的处理。

所有适配器拓扑结构产生的过压故障是便携式产品的常见问题。变压器解决方案可以将交流线路瞬态电压加到负载上，SMPS解决方案可能会出现失控输出电压，而汽车充电器可将附件端口电压直接连接到负载上。而且零件市场中的充电器或错误的适配器有可能会插到适配器插口中。在这种情况下，不能保证适配器是否位于便携式产品规定的输入电压范围。图3所示的电路以相对简单的设计和少量额外成本，帮助设计者减轻了这个问题，有助于使他们的产品更加牢固和可靠。

作者：Jim Hill

应用工程师

安森美半导体