手機快充智能防護方案

關鍵詞：浪涌；快充技術；OTP MOSFET中圖分類號：TN40 文獻標識碼：A

0 引言

隨著快充技術的發展，高電壓、大電流成為快充技術的主要特征。在日常應用中存在一些不規范的操作，如使用非正規廠商的充電器，或者在電力不穩的地區使用充電設備，這可能導致電壓總線（voltage bus，Vbus）端口的輸出電壓異常，如果這個異常電壓高于設備內部芯片的耐受值，就會導致設備損壞。其中瞬態電壓抑制器（transient voltagesuppressor，TVS）作為Vbus 端口的初級防護器件，負責吸收主要的浪涌電流，將電壓鉗位在較低值。過壓保護（over voltage protection，OVP）器串聯于Vbus 上，作為次級防護單元保護后續敏感元件[1]。

除了需要防護浪涌事件以外，設備在充電時，帶有水分的灰塵會在暴露的充電端口處導致短路。特別是在高電流充電條件下，該故障將導致充電端口的溫度上升，甚至可能引發火災。然而這種接觸故障無法在設備側與充電器側被檢測到，也不能被任何一側保護。圖1 為充電端口過溫保護方案電路。采用的解決方案是使用負溫度系數熱敏電阻（negative temperature coefficient，NTC）熱傳感器來監測充電端口的溫度，該傳感器緊密安裝在充電端口上。當溫度過高時，微控制單元（microcontrollerunit，MCU） 將命令過溫防護（over temperatureprotection，OTP）金屬—氧化物半導體場效應晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）導通，從而將Vbus 短接到地。當短路電流足夠大時，適配器將采取過流防護操作，以關閉充電電流，使充電端口受到保護。該OTPMOSFET 需要滿足30 V 的工作電壓條件，并具有100 ms、8 A 的通流能力、較低的閾值電壓（滿足1.8 V 的驅動要求），以及較小的導通電阻。

為避免設備快充領域中發生浪涌事件和充電端口發熱燒毀事件等，本文提出了一種快充端口防護新方案。該方案通過引入浪涌探測電路并結合現有OTP MOSFET，實現用一顆芯片替代原有的兩套防護方案，極大地優化了快充端口防護電路的面積，提升了快充端口電路的集成度。

1 保護電路設計及工作原理

平緩鉗位電壓浪涌抑制器主要由觸發單元、泄放單元組成， 如圖2 所示， 圖中NMOS 為N 型溝通MOSFET。當觸發電路的TVS 被擊穿后會快速驅動MOSFET 柵極進入完全開啟狀態。此時的MOSFET 導通電阻R 減小到可忽略的大小，V 具有與觸發電路擊穿電壓相同的近似值。因此，系統Vc 在額定峰值脈沖電流范圍內幾乎是恒定的。

如圖3 所示，隨著浪涌電流的增加，分立器件合封方案的浪涌電壓穩定器可實現60 A 以上的浪涌電流泄放，且隨著浪涌電流的增加，Vc 的增加不超過3 V。

1.2 快充智能防護電路設計

為解決現有快充領域浪涌防護與防燒問題，本文提出了一種快充端口智能防護方案。快充智能防護電路示意圖如圖4 所示，圖中PMIC 為電源管理芯片。在平緩鉗位電壓浪涌抑制器的基礎上，采用雙向TVS 和電阻組成自適應模塊，用于浪涌檢測以及OTP MOSFET 柵極驅動，利用OTP MOSFET作為浪涌泄放單元。

如圖4 所示，TVS1 輸入端與Vbus 相連，電阻的輸出端與MCU 的通用輸入/ 輸出（general-purposeinput/output，GPIO）端口連接。TVS1 分別與電阻的中間端、OTP MOSFET 的柵極端連接。另外，在OTP MOSFET 的柵源之間增加TVS2 器件用于柵壓保護。其中，TVS1 需要選擇雙向TVS。在實際應用中，當GPIO 輸出信號大于OTP MOSFET 的閾值電壓時，Vbus 線上的電壓會被拉低。單向TVS 會造成GPIO 到Vbus 的PN 結正偏，從而限制OTPMOSFET 的柵極電壓。雙向TVS1 可有效抑制這種現象。另外，除了防止OTP MOSFET 的開啟受影響外，還可以利用雙向TVS PN 結的正向與反向存在相反的溫度系數，降低高溫對器件鉗位能力的影響。

1.3 快充智能防護電路工作原理

當浪涌事件發生時，TVS1 率先被擊穿，小電流流經串聯的電阻R 與MCU 的GPIO 端口到地，從而開啟OTP MOSFET。通過MOSFET 泄放后續的大浪涌電流，保持平緩鉗位電壓，對后續敏感集成電路（integrated circuit，IC）起到保護作用。另外，在充電端口出現異常時，OTP MOSFET 還具有防燒的功能。當充電端口檢測到溫度過高時，NTC熱傳感器檢測到溫度的變化并且由高阻狀態轉變為低阻狀態，然后MCU 將驅動OTP MOSFET 導通，以將Vbus 短接到地，開啟防燒功能。

2 電路仿真與試驗

2.1 防燒功能驗證

對快充智能防護電路示意圖（圖4）進行模擬，GPIO 負責控制OTP MOSFET 柵極開啟功能。如圖5所示，由于雙向TVS 的存在，GPIO 與Vbus 端口存在一個反向的電壓，因此不會對OTP MOSFET 的開啟造成影響。測試結果顯示GPIO 的信號可以將OTP MOSFET 的閾值電壓增加至最大值（3.8 V），這與原MOSFET 的防燒能力一樣。因此引入雙向TVS 后，不會造成MOSFET 原有的防燒功能減弱。

2.2 電阻R 對電路靜電釋放的影響

由于在快充智能防護電路中 TVS 與OTPMOSFET 和電阻R 組成了RC 網絡，通過RC 耦合可以開啟OTP MOSFET。RC 網絡的時間常數為τ，其與電阻R 和電容C 的關系為：

2.3 單雙向TVS 對防浪涌功能的影響

雙向TVS 8/20 μs 浪涌鉗位電壓如圖6 所示。結果顯示，與單向TVS 相比，雙向TVS 擁有更好的鉗位特性。

雙向TVS 擊穿電壓實際是在三極管基極開路狀態下，集電極與發射極的反向擊穿電壓（BVceo），其優勢是擊穿后會存在電導調制效應。即EB 結正偏時會向基區注入少子，同時也會在基區中積累相同數量、相同濃度梯度的多子；當注入的少子濃度接近摻雜濃度時，額外積累的多子濃度也將與摻雜濃度相當，電導調制效應類似于增加基區摻雜濃度，從而使基區的有效電導率大大增加。這與單向TVS 擊穿不同，單向TVS 擊穿是TVS 內部存在一個固定的內阻，隨著電流的增加，TVS 的Vc 將會逐漸增大。因此選擇雙向TVS 具有更好的鉗位優勢。

雙向TVS 除了具有良好的Vc 優勢以外，還可以使防護系統在-40 ～ 125℃ 的工作環境下具有穩定的性能。TVS 的反向擊穿電壓具有正溫度系數，即隨著溫度的增加，擊穿電壓Vbr 也將增大。因此單向TVS 在高溫環境下的Vc 會更高，這對于保護器件是非常不利的。而雙向TVS 由于采用了PNP 型的器件結構，相當于將正向和反向的PN 結串聯工作。正向工作的TVS 擁有負的溫度系數，即TVS 的正向電壓Vf 會隨著溫度的增加而減小。由于雙向TVS 同時存在正向和反向PN 結，所以溫度對電路的影響會被正向和反向PN 結的特性抵消，從而維持系統的穩定性。

3 結論

本文采用雙向TVS 和電阻組成自適應模塊用于浪涌檢測以及OTP MOSFET 柵極驅動。利用OTP MOSFET 作為浪涌泄放單元，實現了防燒保護與防浪涌保護的結合。通過大量測試與仿真驗證，快充端口智能防護方案可用于22 V 擋位Vbus 端口防護，V 為30 V，I 最大可達60 A。且隨著浪涌電流的增加，V 的增加不超過3 V。雙向TVS 的引入可保證電路在用于防燒保護時的功能不受影響。