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快充行业风口已经来临,PD快充三大安全挑战及对策!

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文章出处:骊微电子责任编辑:电源管理芯片人气:-发表时间:2019-10-11 09:12
  自从2017年9月苹果iPhone 8首次引进快充技术,在随后的iPhone X、iPhone Xs、iPhone Xs Max、iPhone Xr等所有iPhone机型都将支持USB PD快速充电功能作为标准配置,9月11日,乔布斯剧院召开2019年秋季新品发布会,正式发布2019年的三款全新的iPhone手机:iPhone 11、iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max,三款手机均支持18W USB PD快充,其中iPhone 11 Pro系列的两款机型更是标配了USB-C接口的18W PD充电器和USB-C to Lightning快充数据线,是USB PD快充发展史上的转折点,标志着快充行业风口已经来临。
 
  
 
  目前由于PD充电器的功率密度提高及输出电压范围变宽,电源设计面临着3大安全挑战:  
  1、电网波动:市电异常高压易导致输入电容爆裂,开关管、保险丝等元器件损坏!  
  2、功率器件发热:快充因功率密度提高,异常工况下,功率器件大量发热,有熔化外壳风险!  
  3、输出过压:异常工况下(开环),输出电压高上加高,若超过PMU耐压,有损坏手机风险!
  
  在2019(秋季)USB PD&Type-C 亚洲大会上,芯朋微应用技术总监——王旷先生主讲了《如何让PD快充更安全?》,发布最新PD快充重磅IC及18-60W全系列安全PD充电解决方案!
  
  一、市电异常高压对充电器的影响及对策  
  市电高压下,高压电解电容的漏电流损耗会增加,当C2过热开阀损坏后,等价为nF级电容,差模电感L1加变压器漏感与寄生电容发生振荡,振荡尖峰电压高达数百伏,易导致Q1击穿,进而损坏CS电阻等多个元器件。
  
  对策1:直接采样市电保护技术  
  PN8275P内部850V高压模块,通过HV脚直接监控市电,实现市电精准OVP保护HV脚还兼有X电容放电和高压启动功能,PN8275P外驱MOS方案适用于30W/45W/60WPD快充应用。
  
  对策2:间接釆样市电保护技术  
  PN8161P(18WPD快充)内置市电保护模块,在开关管导通阶段,通过仁dmg电流判断市电,可实现5%精度市电OVP保护,移除传统方案实现市电保护所需的9颗元器件。
  
  实验结果:(以18W PD为例)  
  市电OVP精准保护:升高市电至321ac时PN8161P自动关闭PpWM,由于高压电容损耗降低及环温降低,从而有效保护高压电容。 
 
   
  CH1:输出电压;CH4:市电
  
  有效识别雷击干扰:雷击发生时,高压电容电短时间超过市电OvP阈值(464VDC),PN8161R自动识别为雷击干扰信号,输出电压正常推持。
 
  
  CH1:输出电压;CH4:高压电容电压
  
  二、异常过温对充电器的影响及对策  
  由于人体可触摸到充电器的外壳,安规要求外壳温度需低于75度。PD快充由于功率密度更高,异常工况下功率器件大量发热,有熔化外壳风险。
  
  对策:控制芯片内置OTP保护市电  
  PN8161(18W PD)集成控制器+智能MOS,采用3D叠层封装技术控制器精准监控功率MOS温度,实现低成本、精准快过热安全保护。  
  PN8275(30-60W PD)同时提供芯片内部和芯片外部的双重OTP保护。芯片内温度超过145℃,芯片进入过温保护状态;通过外部NTC检测系统热点是否超过定值,复用CS脚实现保护。
  
  实验结果:(以18W PD为例)  
  加重负载,功率器件温升不断升高,当PN8161表面温度至127.3度,充电器OTP保护。
 
 
  CH1:PN8161;CH2:变压器;CH3:壳内环温
  
  三、输出过压对充电器的影响及对策  
  异常工况下(如闭环控制异常),PD充电器输出电压会高上加高,如果USB口电压超过手机内部的PMU单元耐压(典型值16V),则损坏手机!因此,应合理设计充电器的输出过压保护(典型值低于15V)。
  
  对策:PN8275/PN8161在变压器去磁期间采样辅助绕组电压,通过对输出电压的间接采用实现异常过压保护。
  
  实验结果:(以18W PD为例)  
  短路光耦次级模拟反馈异常,输出电压升高至14.4V时,触发PN8161输出过压保护。 
 
  CH1:输出电压;CH4: PN8161芯片供电
  
  PN8161典型应用于18W PD充电器,除外围精简外,芯片通过DMG脚开关波形间接采样市电和输出电压,实现市电OVP和输出电压OVP,避免充电器内部器件或手机PMU过压损坏。芯片采用3D叠层封装技术,控制器可精准监控内部智能功率MOS温度,实现低成本、精准快OTP,有效防止功率器件过热引起的安全问题。
 
  
  18W PD快充方案亮点:  
  节省10颗以上外围: 无启动电阻、无CS侦测网络,原副边均实现SOP8功率集成;  
  满足CoC V5 Tier 2:专利高压启动,实现30mW待机功耗;工作曲线随输出电压自适应,不同输出电压下平均效率裕量均大于4个点;  
  EMC性能卓越:抖频幅度随负载自适应,改善传导;DCM/QR工作模式,避免次级整流管反向恢复问题,改善辐射;  
  3.3~12V宽输出电压范围:PN8161/PN8307H供电范围宽,无需额外LDO稳压;  
  协议芯片任意搭:SSR架构,方案易满足PD3.0/QuickCharge 4+。
 
  
  PN8275典型应用于30W/45W/60W PD充电器,芯片通过850V耐压HV脚直接监控市电实现市电OVP保护,并兼具高压启动、X电容放电等功能。芯片内置片内OTP和片外OTP,可监控充电器多个热点,实现双重OTP保护,更安全。此外,DMG实现输出过压保护和OCP线电压补偿,避免输出电压异常损坏手机电池管理电路。
  
  骊微电子作为芯朋微一级代理商、本着为客户提供低价格、高效率,低功率,高效应的宗旨,合作三年有余,致力于电源方案设计开发及芯片销售,团队具有8年以上电源方案设计经验,拥有丰富的开关电源、充电器、适配器、小家电等产品的实战应用经验及现场技术支持服务,为客户提供一站式的电源解决方案,更多PD快充产品的详细手册或技术资料,请向骊微电子申请。>>
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