手机快充智能防护方案

关键词：浪涌；快充技术；OTP MOSFET中图分类号：TN40 文献标识码：A

0 引言

随着快充技术的发展，高电压、大电流成为快充技术的主要特征。在日常应用中存在一些不规范的操作，如使用非正规厂商的充电器，或者在电力不稳的地区使用充电设备，这可能导致电压总线（voltage bus，Vbus）端口的输出电压异常，如果这个异常电压高于设备内部芯片的耐受值，就会导致设备损坏。其中瞬态电压抑制器（transient voltagesuppressor，TVS）作为Vbus 端口的初级防护器件，负责吸收主要的浪涌电流，将电压钳位在较低值。过压保护（over voltage protection，OVP）器串联于Vbus 上，作为次级防护单元保护后续敏感元件[1]。

除了需要防护浪涌事件以外，设备在充电时，带有水分的灰尘会在暴露的充电端口处导致短路。特别是在高电流充电条件下，该故障将导致充电端口的温度上升，甚至可能引发火灾。然而这种接触故障无法在设备侧与充电器侧被检测到，也不能被任何一侧保护。图1 为充电端口过温保护方案电路。采用的解决方案是使用负温度系数热敏电阻（negative temperature coefficient，NTC）热传感器来监测充电端口的温度，该传感器紧密安装在充电端口上。当温度过高时，微控制单元（microcontrollerunit，MCU） 将命令过温防护（over temperatureprotection，OTP）金属—氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）导通，从而将Vbus 短接到地。当短路电流足够大时，适配器将采取过流防护操作，以关闭充电电流，使充电端口受到保护。该OTPMOSFET 需要满足30 V 的工作电压条件，并具有100 ms、8 A 的通流能力、较低的阈值电压（满足1.8 V 的驱动要求），以及较小的导通电阻。

为避免设备快充领域中发生浪涌事件和充电端口发热烧毁事件等，本文提出了一种快充端口防护新方案。该方案通过引入浪涌探测电路并结合现有OTP MOSFET，实现用一颗芯片替代原有的两套防护方案，极大地优化了快充端口防护电路的面积，提升了快充端口电路的集成度。

1 保护电路设计及工作原理

平缓钳位电压浪涌抑制器主要由触发单元、泄放单元组成， 如图2 所示， 图中NMOS 为N 型沟通MOSFET。当触发电路的TVS 被击穿后会快速驱动MOSFET 栅极进入完全开启状态。此时的MOSFET 导通电阻R 减小到可忽略的大小，V 具有与触发电路击穿电压相同的近似值。因此，系统Vc 在额定峰值脉冲电流范围内几乎是恒定的。

如图3 所示，随着浪涌电流的增加，分立器件合封方案的浪涌电压稳定器可实现60 A 以上的浪涌电流泄放，且随着浪涌电流的增加，Vc 的增加不超过3 V。

1.2 快充智能防护电路设计

为解决现有快充领域浪涌防护与防烧问题，本文提出了一种快充端口智能防护方案。快充智能防护电路示意图如图4 所示，图中PMIC 为电源管理芯片。在平缓钳位电压浪涌抑制器的基础上，采用双向TVS 和电阻组成自适应模块，用于浪涌检测以及OTP MOSFET 栅极驱动，利用OTP MOSFET作为浪涌泄放单元。

如图4 所示，TVS1 输入端与Vbus 相连，电阻的输出端与MCU 的通用输入/ 输出（general-purposeinput/output，GPIO）端口连接。TVS1 分别与电阻的中间端、OTP MOSFET 的栅极端连接。另外，在OTP MOSFET 的栅源之间增加TVS2 器件用于栅压保护。其中，TVS1 需要选择双向TVS。在实际应用中，当GPIO 输出信号大于OTP MOSFET 的阈值电压时，Vbus 线上的电压会被拉低。单向TVS 会造成GPIO 到Vbus 的PN 结正偏，从而限制OTPMOSFET 的栅极电压。双向TVS1 可有效抑制这种现象。另外，除了防止OTP MOSFET 的开启受影响外，还可以利用双向TVS PN 结的正向与反向存在相反的温度系数，降低高温对器件钳位能力的影响。

1.3 快充智能防护电路工作原理

当浪涌事件发生时，TVS1 率先被击穿，小电流流经串联的电阻R 与MCU 的GPIO 端口到地，从而开启OTP MOSFET。通过MOSFET 泄放后续的大浪涌电流，保持平缓钳位电压，对后续敏感集成电路（integrated circuit，IC）起到保护作用。另外，在充电端口出现异常时，OTP MOSFET 还具有防烧的功能。当充电端口检测到温度过高时，NTC热传感器检测到温度的变化并且由高阻状态转变为低阻状态，然后MCU 将驱动OTP MOSFET 导通，以将Vbus 短接到地，开启防烧功能。

2 电路仿真与试验

2.1 防烧功能验证

对快充智能防护电路示意图（图4）进行模拟，GPIO 负责控制OTP MOSFET 栅极开启功能。如图5所示，由于双向TVS 的存在，GPIO 与Vbus 端口存在一个反向的电压，因此不会对OTP MOSFET 的开启造成影响。测试结果显示GPIO 的信号可以将OTP MOSFET 的阈值电压增加至最大值（3.8 V），这与原MOSFET 的防烧能力一样。因此引入双向TVS 后，不会造成MOSFET 原有的防烧功能减弱。

2.2 电阻R 对电路静电释放的影响

由于在快充智能防护电路中 TVS 与OTPMOSFET 和电阻R 组成了RC 网络，通过RC 耦合可以开启OTP MOSFET。RC 网络的时间常数为τ，其与电阻R 和电容C 的关系为：

2.3 单双向TVS 对防浪涌功能的影响

双向TVS 8/20 μs 浪涌钳位电压如图6 所示。结果显示，与单向TVS 相比，双向TVS 拥有更好的钳位特性。

双向TVS 击穿电压实际是在三极管基极开路状态下，集电极与发射极的反向击穿电压（BVceo），其优势是击穿后会存在电导调制效应。即EB 结正偏时会向基区注入少子，同时也会在基区中积累相同数量、相同浓度梯度的多子；当注入的少子浓度接近掺杂浓度时，额外积累的多子浓度也将与掺杂浓度相当，电导调制效应类似于增加基区掺杂浓度，从而使基区的有效电导率大大增加。这与单向TVS 击穿不同，单向TVS 击穿是TVS 内部存在一个固定的内阻，随着电流的增加，TVS 的Vc 将会逐渐增大。因此选择双向TVS 具有更好的钳位优势。

双向TVS 除了具有良好的Vc 优势以外，还可以使防护系统在-40 ～ 125℃ 的工作环境下具有稳定的性能。TVS 的反向击穿电压具有正温度系数，即随着温度的增加，击穿电压Vbr 也将增大。因此单向TVS 在高温环境下的Vc 会更高，这对于保护器件是非常不利的。而双向TVS 由于采用了PNP 型的器件结构，相当于将正向和反向的PN 结串联工作。正向工作的TVS 拥有负的温度系数，即TVS 的正向电压Vf 会随着温度的增加而减小。由于双向TVS 同时存在正向和反向PN 结，所以温度对电路的影响会被正向和反向PN 结的特性抵消，从而维持系统的稳定性。

3 结论

本文采用双向TVS 和电阻组成自适应模块用于浪涌检测以及OTP MOSFET 栅极驱动。利用OTP MOSFET 作为浪涌泄放单元，实现了防烧保护与防浪涌保护的结合。通过大量测试与仿真验证，快充端口智能防护方案可用于22 V 挡位Vbus 端口防护，V 为30 V，I 最大可达60 A。且随着浪涌电流的增加，V 的增加不超过3 V。双向TVS 的引入可保证电路在用于防烧保护时的功能不受影响。