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智能手机充电装置EOS与ESD防护方案

52RD.com 2015年10月21日 晶焱科技            参与:3人 我来说两句
        随着半导体科技的进步,手机的功能变得日渐强大,从最早1G模拟式移动电话,演变到今日具有多功能的4G智能手机;手机已深入人们的日常生活中,成为现代人不可或缺的电子用品之一。早期各家手机制造商的充电装置规格不一,手机充电器因消费者替换手机变成为污染环境的电子垃圾。基于环保的考虑,标准化机构--第三代合作伙伴计划(3GPP, 3rd Generation Partnership Project)开始积极推动全球手机充电器标准化;欧盟会议于2015年通过一项立法草案,欧盟地区从2017年起统一手机的充电器规格,以Micro USB为手机充电器的标准接口。

  以Android系统的智能手机为例,智能手机的Micro USB Vbus充电电压为5V,最大输出电流为1.5A;随着大容量手机用电池问世,现有充电规格将无法满足用户未来的需求。着眼于此,业界开始发展手机快速充电技术,所谓的快速充电就是利用提升电流与电压的方式达到缩短充电时间的充电方式,手机快速充电规格目前主要分为高通Quick Charge及联发科Pump Express。以高通Quick Charge 2.0快速充电技术为例,透过支持5V、9V、12V和20V四种电压(adapter with Class B)及最大2A充电电流,可以快速将手机电池充满,缩短充电时间。快速充电要发挥功效是在手机端与充电设备达成快速充电协议后才能运作,若使用非支持Quick Charge 2.0的高电压充电器,而采用广泛使用的USB 2.0和USB 3.0来充电,将无法发挥Quick Charge 2.0的快速充电功能。

  无论是哪一种充电规格,用户在对USB接口(connector)做插拔的过程中,容易引起Vbus电源间的EOS (electrical over stress)突波噪声,这种EOS突波噪声频率不会很高(属低频噪声)但是能量却很大,容易引起超出IC芯片(IC chip)或电子组件的最大操作电压或电流规格值,造成IC芯片或电子组件毁损。手机设计制造商为了避免EOS突波对产品特性与质量造成不良的影响,在USB的Vbus与电池电极Vbat放置具有高雷击(surge)规格的TVS保护组件来保护内部IC芯片与电子组件。

  界面在插拔的过程中,除了有EOS的突波噪声,也会出现ESD (Electrostatic Discharge)突波噪声,与EOS相比较,ESD突波噪声频率很高但能量比较小,容易造成IC芯片或电子组件的电气规格参数飘移,发生所谓的潜在性破坏(latent damage),影响IC芯片或电子组件的可靠度与使用寿命。ESD突波除了在USB的Vbus电源间会发生外,USB的D+/D-讯号端在插拔的过中,也很容易受到ESD突波的威胁。因此,手机设计制造商除了在USB的Vbus放置保护组件外,也会放置TVS保护组件来保护USB的D+/D-不会受到ESD突波的破坏。

  图一是晶焱科技针对智能手机Micro USB接口与电池提供一套完整的EOS与ESD防护方案。在图一中,AZ3105-01F用于电池的Vbat端点提供EOS防护,AZ3105-01F的雷击测试规格为80A (IEC 61000-4-5,tp = 8/20ms),可以有效保护电池不会受到EOS突波噪声的影响;针对支持Quick Charge 2.0快速充电功能的USB Vbus EOS防护,晶焱科技提供AZ4507-01F / AZ4510-01F / AZ4512-01F / AZ4520-01F等TVS组件,让手机设计者可针对应用在不同快充电压规格的USB Vbus,选用适合的TVS组件;应用于Vbat与USB Vbus EOS保护的TVS ESD规格均为+/-30kV。因此,除了可以提供Vbat与USB Vbus的EOS保护外,也可以提供有效的ESD防护。

  对于USB D+/D-的EOS/ESD防护建议采用AZ5213-02F,AZ5213-02F的负载电容值大小约为0.5pF,不会影响USB D+/D-讯号的传输讯号。由于USB3.0的传输规格已渐渐普及于PC、NB等装置,部分手机设计制造业者开始评估将目前智能手机的Micro USB提升到USB3.0的传输规格。针对USB3.0的SSTX/SSRX等高速讯号接脚的EOS/ESD防护方案,晶焱科技建议采用AZ5313-02F,AZ5313-02F的负载电容值大小约为0.35pF,不会影响SSTX/SSRX等高速讯号接脚的传输讯号。

  晶焱科技针对本方案所建议的TVS组件除了有高ESD与Surge规格外,所有的TVS组件均采用DFN封装,具有低封装高度与节省布局空间的优点,满足智能手机轻、薄设计的需求。晶焱科技所提供的TVS组件电气特性与封装尺寸规格均详列于表一。

 

 

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