国标虽好执行难，手机厂商谨慎选择USB充电管理IC

国标《移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法》将本来就已热炒的手机USB充电推向顶峰。虽然有越来越多手机支持USB充电功能，但是，在6月14日这个强制实施的日子到来之时，真正能符合国标的手机仅有寥寥几款。究其原因则是市场上实现二合一接口的USB充电方案五花八门、鱼目混珠，并且一些不适当的方案导致手机返修率急升。比如有些手机在设计时的架构并不支持USB充电，但为了迎合市场需求，改成支持USB充电。这种情况下会导致许多问题出现，比如PA、DC/DC、电压调整器损坏，以及充电时接通率下降等。

新型USB充电管理IC能消除充电延迟、同时给电池和负载充电。1yzesmc

“国标主要是针对适配器侧的规范，统一的接口设在充电器一侧，它对手机内部的电源管理并没有规范，其目的是统一适配器接口，减少用户多次购买适配器的浪费，减少电子废弃物，我们支持这一规范。但是，以目前的状况来看，很少手机厂商推出支持国标的产品，主要原因是每一家AC/DC适配器的电压/电流都不一样，手机厂商在现有的架构下很难支持不同的适配器。”TI中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为表示。他指出，为了符合国标，手机厂商需要考虑选择新一代的USB充电管理方案，比如采用具有更宽电压的USB充电IC，能覆盖所有适配器的电压/电流要求。TI目前已批量提供这样的IC。为了保证充电速度不受影响，充电管理IC应该能自动检测到来自USB端口的最大电流值，提供与这个最大电流值匹配的充电电流。

Tony Armstrong：手机制造商将失去销售适配器赢得的利润！

安森美半导体高级应用工程师刘耀辉也分析了目前国标难实施的原因，“如要符合国标，手机厂商初期很可能要耗用资源在设计、生产以及包装中做出更改，短期内会带来一定的成本上的增加。因此，目前的新标准实际上还处在建议阶段，但我们可以感受到相关部委减少电子废物、保护环境的决心，可以预见到不远的将来这个标准会成为强制性的规范。”他举例说，目前的充电管理器件或PMU的过压保护功能不能满足新标准对过压保护(OVP)的要求，在新标准的严格测试下很可能会烧毁充电调整器件，因此，必须加装专门的过压保护器件。因此，根据新标准，安森美半导体已推出3种OVP IC：NCP360、NCP347和NCP348以满足不同应用的要求。 而凌力尔特公司的产品市场经理Tony Armstrong则进一步指出，手机充电国标执行难的主要原因除了技术外，更有手机厂商商业上的考虑。他分析说：“许多蜂窝电话制造商实际上通过销售用于电池充电的外围AC适配器赢得了更多的利润，而采用集成方案(即把充电外设内置于蜂窝电话本身之中)意味着他们将失去这部分利润！” 的确，大型手机厂商都有专门的适配器代工厂，如果采用国标，这部分的利润将会完全失去，这也是为什么国际手机厂商消极对待国标的主要原因。截止6月14限期，市场上仍仅是销售份额较少的几款手机产品宣布支持这一新的标准，外资品牌尚未参与进来，国内大品牌的手机厂商也少有参与。除上面谈到的不愿失去适配器的利润外，大品牌的手机品种多，且他们自己的各种品牌间已大部分转向统一的充电器接口，如要再转向国标，付出的修改成本将会巨大，这也是他们无所动的主要原因。此外，如果用A厂家的充电器把B厂家的手机充坏了，那么在售后服务上就会产生很多纠葛，这也是阻碍手机厂商支持国标的另一个主要原因。 不过，虽然对于中国的国标并不会很快支持，但是这些国际手机厂商对手机中采用USB数据/充电二合一端口的趋势则是普遍认同的，并且这已是一个不可否认的趋势。Armstrong说道：“据我们估计，在全球范围内生产的所有蜂窝电话当中，目前大约有5% 具备真正的USB充电功能。我们相信这种趋势将在未来的蜂窝电话中日益凸显出来。事实上，诺基亚公司已经宣布，他们准备在其面向欧洲市场的未来蜂窝电话中配备微型USB端口。”目前，摩托罗拉的RAZR已可提供支持USB充电的管理架构。 刘耀辉补充道：“现在，主流手机平台供应商如TI和MTK在其最新推广的平台中都已考虑了USB充电的兼容性。我们有理由相信USB充电不久会在手机应用中得到普及。” 这里要注意的是，他们谈到的USB充电功能与目前市场上大部分手机所采用的USB充电、或者有些用户直接用USB数据口来进行充电，是不同的，前者能应变不同的电压输入，不会由于USB的不当充电导致器件损坏，后者就没有这些功能。因此，在二合一充电端口的需求下，手机厂商要小心选择充电方案，否则会出现充电时损坏器件、手机返修率上升、电池寿命缩短等问题，那时不只是用户利益受到损失，手机厂商也会因此而丢失信誉。 对手机制造厂商最重要的是需要弄清楚不适当的充电方案为什么会带来危害，以及如何选择真正的USB充电管理IC。 USB充电方案不当导致器件易受损 “我们在电子市场上走走，可以看到手机采用二合一接口的USB充电后，返修率大增，而最易坏的是PA和DC/DC模块。为什么？因为这些手机中采用了不适当的USB充电管理方案。”TI的张洪为提示道。 由于市场上很多手机中采用的方案并不是专门针对USB供电功能而设计，而只是在原来的交流适配器充电架构上进行了改变，因此会导致很多不良后果。他解释说，当采用二合一的接口后，过压保护功能特别重要。一般来说，USB的供电电压是4.2V~5.2V，而交流适配器的供应电压则高得多，不同的厂商，电压也不同。比如诺基亚的适配器供电电压为9V，一些韩国厂商的适配器输出电压最高峰值更是达20V以上。所以USB充电管理IC一定要有过压保护功能，才能实现二合一充电接口，或者要新增加一块过压保护IC，否则就会造成对后面系统的高压冲击，离充电管理IC最近的PA将首当其冲，其次是DC/DC模块。 面对这一新的要求，TI的USB充电管理IC在设计时定义了很高的电压峰值，比如BQ24060测得在最大峰值26V下可连接工作87小时不损环；凌力尔特公司也专门推出了具有过压保护的USB充电管理IC，比如专门针对USB充电市场推出的独立电池充电器LTC4067，具有片上内部过压控制电路，可对输入提供13V保护，当系统负载电流增大时，LTC4067自动降低电池充电电流，从而确保输入电流不超过编程值。 采用二合一充电端口后，还有一个问题会出现：用户会发现充电时手机的接通率下降了。张洪为解释，手机在利用笔记本电脑/PC的USB端口充电时，PC/笔记本电脑产生的噪声会降低手机射频的灵敏度，因此会出现充电时接通率下降。TI的方案针对这一需求提供了预稳压功能，能将大部分噪声屏蔽掉，因此基本上解决了这个问题。他提示，有些厂商由于USB充电管理IC没有这个功能，只能通过提升手机射频的供电来解决，“这只是一个堵的办法，并不是一种事先防范的好办法。”他说道。 凌力尔特新推出的一款针对USB充电的电源管理IC——LTC3555 PMIC，也具有稳压功能，它采用了一个高效率开关模式PowerPath控制器，而不是之前所使用的线性PowerPath控制器。LTC3555的PowerPath控制器专为USB应用而设计，它包括一个精准的平均输入电流降压型开关稳压器，能最大限度地利用容许的USB功率。由于节省了功率，LTC3555允许VOUT上的负载电流超过USB端口所吸收的电流，而不会超出USB负载规格的限制。PowerPath开关稳压器和电池充电器相互通信，以确保输入电流绝不会违犯USB规格。 USB充电管理的两种架构 在选择USB充电管理IC时，除上面这些要关注的问题外，还要关注的一个更重要问题是USB充电IC的架构和工作方式。这两种不同的架构将会直接影响电池的寿命和电池续航的时间。 TI的张洪为解释道，目前的USB充电IC分为两种架构：一种是传统的架构，即USB端口给电池供电，电池给系统供电。这种架构下，当电池充电完成后，USB停止供电，由电池继续给系统供电。用户一般习惯在夜间给手机充电，这样，当USB停止供电后，电池仍要给系统供电，继续消耗电量，同时会造成反复充电，从而影响电池寿命。有些厂商采用了防止再次充电的办法，但是电池的电量就会不断消耗，等第二天早上用户真正要用时，电量已不是满容量了，这时需要在电池电量与电池寿命中有一个折衷。另一种架构则是采用了智能功率路径分配管理，即USB端口同时给系统和电池供电，这样电池充满电后仍保持满电量，由USB端口继续给系统供电，基本上杜绝了反复充电，电池电量和寿命都得到了保障。 目前市场上对这两种方案的需求都存在。因为考虑到成本问题，一些中低端机手机可能会采用第一种架构，虽然会牺牲一些电池的寿命或待机时间，但成本是他们考虑的主要因素，TI的BQ24060就是为这类手机USB充电所设计。不过，现在已有越来越多的手机开始采用第二种架构，即智能功率路径管理，“特别是中国政府关于手机充电器标准出台后，刺激了该市场对新兴架构的采用。”张洪为表示。TI的BQ24030和BQ24070都是采用这种智能功率路径管理的USB充电IC，特别是后者，专门针对二合一的USB端口所设计，“BQ24070已被一些智能手机和便携设备所采用，比如索尼的PSP。”他透露。 张洪为特别提示，TI新一代的USB充电IC还可以对二合一的USB口进行电流检测，并以不同的最大电流来充电的，比如当从USB口可获得500mA电流时，充电电流约为350mA；而当检测来自交流适配器的更大电流时，最大充电电流可达1.5A，“我们可以测得的最大电流值来充电，这样能实现最快的充电速度。”他说，“而市场上有些方案，并没有这样的选项，而是将USB口的充电电流固定为500mA，这样当采用交流适配器充电时，就会牺牲速度；而当USB口可供电流小于100mA时，则会出现USB端口关闭，不能充电的状况。这些都会影响用户的利益。” 上面提到的LTC3555也是采用了与TI相似的智能的功率输送方法。Tony Armstrong表示：“LTC3555不同于现有的电池和电源管理IC，后者是充电器馈电系统，在这样的系统中，外部电源并不直接向负载供电，取而代之的是采用AC适配器或USB端口对电池进行充电，再由电池给负载供电。如果电池已被深度放电抑或甚至缺失，那么在向负载输送功率的过程中将会出现延迟。这是因为在电池获取所需的最小电荷量之前是不能从其吸取功率的。采用LTC3555后，该延迟被消除，这样一旦墙上适配器或USB电源接入，手持式设备将能够立即上电。此外，该芯片还将获取任何未被负载使用的可用功率，并利用其来为电池充电。” 他进一步解释道，上述架构有两个好处，一是充电延迟的消除，二是电池充电和负载供电同时进行，延长了有效运行时间，并在与USB电缆相连时加快了充电速度。该电源管理方法的另一项优势是：能够在可使用AC或USB电源的情况下提升效率，因为在这些场合中，免除了一个不必要的功率转换级(即电池充电)。 在架构的选择上，除了上面两种考虑因素外，目前市场上USB充电管理IC还有独立与集成IC之分，后者将充电管理与电源管理单元(PMU)集成。Tony Armstrong对这两种不同形式的方案分析道：“在那些对成本敏感的低端蜂窝电话中，拥有一个符合USB规格的独立型充电器在经济性方面颇具意义。但是，在智能手机中，由于存在着可利用多种电源来为蜂窝电话供电以及对电池进行充电这一复杂性，因此集成USB电源控制器和锂离子电池充电器将更具意义。” 安森美也倾向于支持集成的方案，刘耀辉指出：“分立的电池管理可能具有好的散热特性以及更加完善的充电功能，但带来高的成本及增加PCB占用面积；PMU集成充电管理目前是主流，有些平台甚至将充电旁路器件也集成进了PMU，得到最小的PCB占用面积，但由于工艺和功耗方面的原因，集成方案对充电电流的大小会有严格限制。” 此外，他提示道：“ESD保护对手持设备接口尤为重要，且日益受到厂商的重视。安森美半导体针对USB接口应用推出了系列TVS保护二极管和TVS Array，如ESD9C、ESD7C系列，NUP4060等。由于很低的电容，这些器件可以用于USB2.0全速的保护，且尺寸非常小巧。” 而张洪为认为，独立的充电管理IC在对空间要求不是特别严格的GPS和PMP等便携设备上应用较多。