自從2017年9月蘋果iPhone 8首次引進快充技術(shù)，在隨后的iPhone X、iPhone Xs、iPhone Xs Max、iPhone Xr等所有iPhone機型都將支持USB PD快速充電功能作為標準配置，9月11日，喬布斯劇院召開2019年秋季新品發(fā)布會，正式發(fā)布2019年的三款全新的iPhone手機：iPhone 11、iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max，三款手機均支持18W USB PD快充，其中iPhone 11 Pro系列的兩款機型更是標配了USB-C接口的18W PD充電器和USB-C to Lightning快充數(shù)據(jù)線，是USB PD快充發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點，標志著快充行業(yè)風(fēng)口已經(jīng)來臨。
 

　　
 

　　目前由于PD充電器的功率密度提高及輸出電壓范圍變寬，電源設(shè)計面臨著3大安全挑戰(zhàn)：　　

　　1、電網(wǎng)波動：市電異常高壓易導(dǎo)致輸入電容爆裂，開關(guān)管、保險絲等元器件損壞！　　

　　2、功率器件發(fā)熱：快充因功率密度提高，異常工況下，功率器件大量發(fā)熱，有熔化外殼風(fēng)險！　　

　　3、輸出過壓：異常工況下(開環(huán))，輸出電壓高上加高，若超過PMU耐壓，有損壞手機風(fēng)險！

　　

　　在2019（秋季）USB PD＆Type-C 亞洲大會上，芯朋微應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)——王曠先生主講了《如何讓PD快充更安全？》，發(fā)布最新PD快充重磅IC及18-60W全系列安全PD充電解決方案！

　　

　　一、市電異常高壓對充電器的影響及對策　　

　　市電高壓下，高壓電解電容的漏電流損耗會增加，當(dāng)C2過熱開閥損壞后，等價為nF級電容，差模電感L1加變壓器漏感與寄生電容發(fā)生振蕩，振蕩尖峰電壓高達數(shù)百伏，易導(dǎo)致Q1擊穿，進而損壞CS電阻等多個元器件。

　　

　　對策1：直接采樣市電保護技術(shù)　　

　　PN8275P內(nèi)部850V高壓模塊，通過HV腳直接監(jiān)控市電，實現(xiàn)市電精準OVP保護HV腳還兼有X電容放電和高壓啟動功能，PN8275P外驅(qū)MOS方案適用于30W/45W/60WPD快充應(yīng)用。

　　

　　對策2：間接釆樣市電保護技術(shù)　　

　　PN8161P(18WPD快充)內(nèi)置市電保護模塊，在開關(guān)管導(dǎo)通階段，通過仁dmg電流判斷市電，可實現(xiàn)5%精度市電OVP保護，移除傳統(tǒng)方案實現(xiàn)市電保護所需的9顆元器件。

　　

　　實驗結(jié)果：（以18W PD為例）　　

　　市電OVP精準保護：升高市電至321ac時PN8161P自動關(guān)閉PpWM，由于高壓電容損耗降低及環(huán)溫降低，從而有效保護高壓電容�！�
　

　　　

　　CH1：輸出電壓；CH4：市電

　　

　　有效識別雷擊干擾：雷擊發(fā)生時，高壓電容電短時間超過市電OvP閾值(464VDC)，PN8161R自動識別為雷擊干擾信號，輸出電壓正常推持。
 

　　

　　CH1：輸出電壓；CH4：高壓電容電壓

　　

　　二、異常過溫對充電器的影響及對策　　

　　由于人體可觸摸到充電器的外殼，安規(guī)要求外殼溫度需低于75度。PD快充由于功率密度更高，異常工況下功率器件大量發(fā)熱，有熔化外殼風(fēng)險。

　　

　　對策：控制芯片內(nèi)置OTP保護市電　　

　　PN8161(18W PD)集成控制器+智能MOS，采用3D疊層封裝技術(shù)控制器精準監(jiān)控功率MOS溫度，實現(xiàn)低成本、精準快過熱安全保護�！　�

　　PN8275(30-60W PD)同時提供芯片內(nèi)部和芯片外部的雙重OTP保護。芯片內(nèi)溫度超過145℃，芯片進入過溫保護狀態(tài)；通過外部NTC檢測系統(tǒng)熱點是否超過定值，復(fù)用CS腳實現(xiàn)保護。

　　

　　實驗結(jié)果：（以18W PD為例）　　

　　加重負載，功率器件溫升不斷升高，當(dāng)PN8161表面溫度至127.3度，充電器OTP保護。
　

　

　　CH1：PN8161；CH2：變壓器；CH3：殼內(nèi)環(huán)溫

　　

　　三、輸出過壓對充電器的影響及對策　　

　　異常工況下(如閉環(huán)控制異常)，PD充電器輸出電壓會高上加高，如果USB口電壓超過手機內(nèi)部的PMU單元耐壓(典型值16V)，則損壞手機！因此，應(yīng)合理設(shè)計充電器的輸出過壓保護(典型值低于15V)。
　　

　　對策：PN8275/PN8161在變壓器去磁期間采樣輔助繞組電壓，通過對輸出電壓的間接采用實現(xiàn)異常過壓保護。
　　

　　實驗結(jié)果：（以18W PD為例）　　

　　短路光耦次級模擬反饋異常，輸出電壓升高至14.4V時，觸發(fā)PN8161輸出過壓保護�！�

　

　　CH1：輸出電壓；CH4: PN8161芯片供電

　　

　　PN8161典型應(yīng)用于18W PD充電器，除外圍精簡外，芯片通過DMG腳開關(guān)波形間接采樣市電和輸出電壓，實現(xiàn)市電OVP和輸出電壓OVP，避免充電器內(nèi)部器件或手機PMU過壓損壞。芯片采用3D疊層封裝技術(shù)，控制器可精準監(jiān)控內(nèi)部智能功率MOS溫度，實現(xiàn)低成本、精準快OTP，有效防止功率器件過熱引起的安全問題。
 

　　

　　18W PD快充方案亮點：　　

　　節(jié)省10顆以上外圍： 無啟動電阻、無CS偵測網(wǎng)絡(luò)，原副邊均實現(xiàn)SOP8功率集成；　　

　　滿足CoC V5 Tier 2：專利高壓啟動，實現(xiàn)30mW待機功耗；工作曲線隨輸出電壓自適應(yīng)，不同輸出電壓下平均效率裕量均大于4個點；　　

　　EMC性能卓越：抖頻幅度隨負載自適應(yīng)，改善傳導(dǎo)；DCM/QR工作模式，避免次級整流管反向恢復(fù)問題，改善輻射；　　

　　3.3~12V寬輸出電壓范圍：PN8161/PN8307H供電范圍寬，無需額外LDO穩(wěn)壓；　　

　　協(xié)議芯片任意搭：SSR架構(gòu)，方案易滿足PD3.0/QuickCharge 4+。
 

　　

　　PN8275典型應(yīng)用于30W/45W/60W PD充電器，芯片通過850V耐壓HV腳直接監(jiān)控市電實現(xiàn)市電OVP保護，并兼具高壓啟動、X電容放電等功能。芯片內(nèi)置片內(nèi)OTP和片外OTP，可監(jiān)控充電器多個熱點，實現(xiàn)雙重OTP保護，更安全。此外，DMG實現(xiàn)輸出過壓保護和OCP線電壓補償，避免輸出電壓異常損壞手機電池管理電路。

　　

　　驪微電子作為芯朋微一級代理商、本著為客戶提供低價格、高效率，低功率，高效應(yīng)的宗旨，合作三年有余，致力于電源方案設(shè)計開發(fā)及芯片銷售，團隊具有8年以上電源方案設(shè)計經(jīng)驗，擁有豐富的開關(guān)電源、充電器、適配器、小家電等產(chǎn)品的實戰(zhàn)應(yīng)用經(jīng)驗及現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，為客戶提供一站式的電源解決方案，更多PD快充產(chǎn)品的詳細手冊或技術(shù)資料，請向驪微電子申請。>>