原创 用于连接、保护和检测的移动IC

作者：飞兆半导体 Bill Boldt

为了在移动设备充电方面提供更多的灵活性，设计人员正在建立新的充 电方法，如无线充电和太阳能充电，但是他们的挑战并未结束;这些充电方法也同样必须考虑与充电相关的环境和安全性问题。无线充电和太阳能充电是极好的话 题，但我们这里将只讨论为移动设备充电而引起的环境和安全问题。幸运的是，采用一系列提供连接、保护和检测的创新IC产品，可以解决那些问题。

保护

保护功能不仅应用于系统的保护，而且通过减少电子废物，也延伸至环境保护。例如，当手机用户获得一部新手机，并要处理旧手机，充电器通常会随旧手机 而弃置垃圾场。实际上，每年约有十亿部手机和其随附的充电器被丢弃，从而进入垃圾填埋场。如果充电器可以从一部手机转用到另一部手机上，或通用，将会出现 更环保的情形并减少这类浪费行为。幸好，这正是全球范围开始发生的事情。欧盟委员会已提出谅解备忘录来协调充电器产品，这正在推动手机制造商在手机充电器 上使用微型USB(micro-USB)接口，用于具有数据功能的智能电话(增长最快的一类)。因而充电器可以用于一种又一种手机，以及一代又一代的手 机。在美国，为促进更环保的世界，两家美国无线行业协会，GSMA 和CTIA，正在推进通用充电解决方案(Universal Charging Solution，UCS)计划，除此之外，主要的手机供应商正在联合手机芯片生产商**务提供商，来支持通用充电器。一段时间以来，韩国电信技术协会 (Telecommunications Technology Association，TTA)已认识到可再用充电解决方案的优势，并批准了用于充电器和耳机的通用20针连接器，以实现较先前使用24针连接器更薄的 手机外形。图1是韩国TTA充电器的照片。

图1. 韩国20针TTA充电器

出于安全的考虑，中国企业的方法也是通用的并使用USB端口。退一步说，手机电池爆炸的看法使人紧张不安，在中国备受瞩目的伤害报告已经促使之前的中国信息产业部发布了“用于移动电信终端设备的充电器和接口的技术要求和测试方法”，以期提高充电安全性。

过压保护

中国和其它地区安全标准的一个关键部分与过压保护有关，顾名思义，就是用于电池再充电的电压高于特定电池的指定安全电压水平时的保护。过压会损坏电 池，甚至达到起火的程度，因而设计过压保护(或“OVP”)集成电路以避免这样的状况。假若电压升得太高，OVP IC监测电压并使手机与充电源相隔离。典型的OVP IC包含内部MOSFET或控制一个或更多外部MOSFET，以便切断引起麻烦的充电源。

因为手机中的空间始终是宝贵的，因而紧凑封装是必要的，并且由于靠电池供电，低功耗是强制要求。以韩国的应用为例，要求保护IC始终在电路内，并且 保护手机免受±20V电压损坏。而且，保护器件必须是双向的、将电池电压传送回设备用于USB On-the-Go(OTG)检测。为符合韩国标准，必须在电池电压为4.35V±1%容差下设置触发。其它地区的要求稍有不同，所以应该始终关注细节。

现有的IC可以自动检测连接至电话或其它移动平台USB端口的设备类型，且可以区分充电器和耳机。例如，经设计满足中国电信标准的IC，要求过压保 护器件包含在手机听筒内，以阻止来自外部充电器的潜在危险信号。这规定了支持的特性，如过压和欠压保护、D+/D-短路检测(用于指示是否连接充电器或其 它装置)、标准USB设备连接支持，以及MOSFET开关控制。满足这些需求的IC可以使用一个外部MOSFET或通常连同控制电路一起组合在单一封装中 的一个或多个MOSFET来提供隔离开关功能。对于过压或欠压情形，一个典型的OVP (UVP)负载开关IC会监控电压总线，并且假若电压读数低于或超出指定的限值(例如，低于3.3V或高于6.0V)时，设置标记针，同时关断 MOSFET负载开关。

欠压闭锁 (UVLO)和其它事项

也需要避免欠压情形。欠压监测，称为欠压保护(Under Voltage Protection，UVP)、经常称为欠压闭锁(Under Voltage Lock Out，UVLO)，用于确保一旦电池电压低于指定的电平，系统以受控方式关闭，从而不会产生不稳定的振荡，或进入欠压情形。用于移动、PC和其它应用的 IC现在提供UVLO功能。这些现代IC通过使用集成MOSFET提供电源信号调节，如前所述，同时提供OVP和UVLO功能;更复杂的型款还增添了浪涌 电流限制、过电流保护(over-current protection，OCP)、反向电流保护、故障管理、转换速率控制和热保护功能。例如，浪涌电流限制，有助于避免元件的逐渐损坏，减少功耗，并减少 系统中的瞬态效应。在某些IC中，提供了虚拟二极管来防止出现反向电流情形而无典型的二极管电压降。集成故障管理允许自动重启、电流限制闭锁、或设置硬限 制而无需额外的硬件或软件。由于便携设备功能增多，导致了更多电能的使用，因此产生了更高的工作温度，所以温度监测正变得更为重要，将它们集成到负载中可 以节省成本和空间。

图2. 典型的负载开关IC结构图

检测和连接

由于USB端口变得非常普遍，对于手机和其它移动平台，它已变得方便并且是必需的，用于确定何种设备(如充电器、音频耳机、UART(通用异步收发 器)、TTY和用户定义的附件)相连接，以及对各种信号进行转换和路由以实现所需的系统连接，提供除保护之外的所有功能。现在已有在单一封装内提供多种功 能的IC产品，这些产品都是前面提到的产品类型的扩展，所以，现在已有一系列具备从简单的OVP功能到包括检测和开关的多种功能的IC产品。此类扩展集的 一个很好的示例，就是多功能IC产品FSA9285，带有28V OVP 负载开关、3合1多媒体开关和USB附件检测及自动配置功能，允许USB数据、充电器、音频(立体声和单声道)以及UART数据共享USB端口。图3所示 为方框图。

图3：FSA9285集成USB IC方框图

管理充电对于移动应用是无法回避的现实。随着设计周期的缩短，以及平板电脑、便携式电脑、手持式游戏机、照相机、导航系统、当然还有手机等新平台的 扩展，对于设计人员而言至关重要的是拥有多种选择，以便保护、检测和连接移动设备与充电源和其它子系统。市场上的IC产品系列有助于确保移动设计安全、符 合规范、紧凑，并具有成本效益和环境友好性。