善用USB連接器　手機應急充電路設計成真

市面上的手機琳瑯滿目，使用不同的充電及連接器，當外出工作或遊玩時忽然沒電，極不易找到可供使用的相同充電器。若有一個小電路可將市面上常用的0.9～1.5伏特鎳氫(Ni-MH)、鎳鎘(Ni-Cd)充電電池，以及3.0～4.2伏特鋰(Li-ion)充電電池轉為手機所需電能，即方便許多。
 

因此，筆者設計一個電池充電(Battery Charge)小電路，可作為手機應急充電路，當中的連接器，則採用目前市面上電子產品最常使用的通用序列匯流排(USB)連接頭。
 

兩顆IC打造應急充電路
 

如圖1所示，應急充電路包含兩顆IC，一顆為AIC3416，主要功能在於提升電壓，以對手機內部電池提供一個標準的充電電壓；另一顆則為AIC6193，主要提供USB連接頭一個完整的電源保護與隔離。當USB連接頭插入手機連接器中，Pin 1被拉到電源Low的位準，作為開關使用的Q1 MOS與RE電阻，會告訴AIC3416開始將電池電壓升壓成系統所需的電壓。同理當USB連接頭拔出手機連接器，Q1 MOS及RE電阻的開關停止導通，AIC3416內部Shdn Pin會自動拉回電源Low的位準，停止供應輸出電源。電路在此採用一顆輸入電壓3.0～4.2伏特的鋰電池系統，以及兩顆輸入電壓1.8～3.0伏特的鎳氫與鎳鎘電池系統，輸出電源採用USB連接頭最常使用的電源5.0伏特，其輸出電壓的調整請參考公式1。
 

圖1 畫素中的光傳播和光電轉化簡單圖解

公式1

 

其中1.2伏特為IC內部參考電壓(Reference Voltage)，利用R1及R2的分壓可得到系統所需要的輸出電壓。至於系統電池所需的最大輸出電流請參考公式2。
 

公式2

 

公式中的η即為評估效率，詳細的計算方式之後會再說明，在此採用實際量測的效率約90%；I_P即為IC內部鋒值電流限制值(Peak Current Limit)，其中AIC34XX系列產品有AIC3413、AIC3415與AIC3416升壓IC三種可供選擇，其內部鋒值電流限制值分別為900毫安培、1,300毫安培及1,600毫安培；V_IN即為輸入電壓，在此能使用單一顆鋰電池系統或採用兩顆鎳氫、鎳鎘電池系統，其電壓分別為3.0～4.2伏特與1.8～3.0伏特；D為開關的工作週期(Duty Cycle)，其值可利用(V_OUT-V_IN)/V_OUT求得；而f為切換穩壓器的工作頻率，在此AIC34XX系列產品全部採用1.2MHz工作；最後L為應用電路上的電感值，在此採用IC Datasheet應用電路上的4.7微亨(μH)的電感。
 

利用上式及其條件，可求得以下列表，其中分別採用單一顆鋰電池、兩顆鎳氫、鎳鎘電池對AIC34XX系列產品計算，求得的輸出電流情形。
 

表1有助快速選擇所需的升壓穩壓器，至於以上提到的評估效率(Estimated Efficiency)須考慮到整個升壓電路上各個元件的功率損耗(Power Loss)，將其等效後可得到公式3。

公式3

公式中的功率比為D，至於D’也可寫為1-D來表示；而V_D為二極體順向導通電壓(Forward Voltage)；至於R_I即為電感的DCR值；而R_DS(ON)為MOS導通時，介於汲極與源極間的電阻；R_D為二極體導通電阻，在此，AIC34XX為同步升壓穩壓器，則RD採用微功率高邊金屬氧化半導體(High Side MOS)的RDS(ON)取代。從公式中可發現，影響升壓穩壓器效率的最主要因素，為導通元件上的寄生電阻值，但因High Side MOS及Low Side MOS已包含在AIC34XX同步升壓IC中，無法從外部應用電路中設計，所以筆者在此先忽略IC內部MOS的R_DS(ON)，以及二極體的R_D與V_D後求得公式4。

公式4

公式中的R_I即為應用電路上電感的DCR值，至於R_L即為應用電路上負載電阻；而D’也可寫成1-D來表示。
 

公式4是將二極體順向導通電壓V_D，MOS導通電阻R_DS(ON)，二極體上導通電阻R_D與其他輸出入電容的寄生電感電阻忽略，所求的精簡公式，比實際效率分析要來得簡單，也毋須考慮到多個元件的寄生效應。
 

最後將此精簡公式放入MATLAB軟體模擬，可得到效率對開關工作週期的關係曲線(圖2)。
 

圖2 帶有光導管的FSI畫素陣列能夠減少光散射，使光功率集中在光電二極體的區域。

由這個特性曲線可知，若以輸入電源3伏特轉換至輸出電源5伏特，開關的工作週期D=(V_OUT-V_IN)/V_OUT=0.4，此時如將電感的DCR值由0.1歐姆(Ω)降為0.05Ω，且負載電阻固定下，整體效率會由80%上升至90%。
 

由此可知，電感的DCR值對升壓穩壓器在高責任週期下的重要性。另外同樣將升壓穩壓器等效電路化簡，忽略IC內部MOS的導通電阻R_DS(ON)，二極體順向導通電壓V_D，二極體上導通電阻R_D，可得到下列關係式5。

公式5

公式中R_I、R_L同樣分別為電感的DCR值與負載電阻值，D’同樣也可寫為1-D。當然公式5也是將二極體順向導通電壓VD，MOS導通電阻R_DS(ON)，二極體上導通電阻R_D及其他輸出入電容的寄生電感電阻忽略，所求得的精簡公式。再一次將此精簡公式放入MATLAB軟體模擬，可得到輸出入電壓對工作週期的關係曲線(圖3)。
 

圖3 30 lux照度下，八百萬畫素、1.4微米畫素尺寸FSI感測器產生的影像。

由這個特性曲線可知，同樣以輸入電源3伏特轉換至輸出電源5伏特，開關工作週期D=(V_OUT-V_IN)/V_OUT=0.4的情形，此時如將電感的DCR值由0.1Ω降為0.05Ω，且負載電阻固定下，能使輸出對輸入的轉壓由原先的1.25倍提升為1.4倍，工作週期越大，其輸出對輸入的轉壓比提升越多，由此可知，電感的DCR值對輸出與輸入的轉壓影響很大，所以在應用電路的設計上，應好好選擇一個較小DCR值的電感，以提高手機應急充的整體效率。
 

先擺大電流迴路元件　以利最短距離布線  

將手機應急充實際製作如圖4、表2，量測其電路特性。
 

圖4 BSI畫素的簡單圖解

在製作這個印刷電路板(PCB)電路設計技巧上，要將大電流(High Di/Dt)迴路的元件先擺上，以利大電流迴路做最短距離的布線，同時布線要寬，以提升類比式升壓穩壓電路的效率。
 

至於接地面的多個導孔並聯，可有效降低PCB銅板上的電感與電阻性，而使整個接地面(Ground)具有完整性。
 

另外筆者在PCB電路上預留的D1二極體，主要是為了避免升壓穩壓器於失效時間(Dead Time)內電感電流由入High Side MOS的Body Diode流入輸出端，而讓其經由順向導通電壓較小的蕭特基二極體(Schottky Diode)流入輸出端，如此得以幫助手機應急充效率提升1～2%；預留的電容RS與CS可作為電路的緩衝器(Snubber)，有效降低開關轉換時的突波(Spike)電壓。
 

系統並非一定需要這幾個元件，所以沒有將此放置列表2中。
 

手機應急充系統架設完成後，開始測試，主要測試USB瞬間拔插，以及系統整體穩定性。以下為進行USB連接器插入瞬間的測試，採用常使用的單一顆鎳氫、鎳鎘電池(1.2伏特)輸入電壓與鋰電池(3.6伏特)輸入電壓，USB連接器輸出電壓5伏特的情形。
 

圖5為示波器上所顯示的波形，圖右為負載電流75毫安培及一顆鎳氫、鎳鎘電池(1.2伏特)輸入的情形，對整個升壓穩壓電路為相對輕載，輸出波形與開關波形工作正常，而電感電流的瞬間(Inrush)電流也壓在1安培以下。圖左為負載電流600毫安培及一顆鋰電池(3.6伏特)輸入的情形，對整個升壓穩壓電路為相對重載情形，輸出波形與開關波形工作正常，而電感電流也非常漂亮。
 

至於測試為何選定輸出電壓5伏特，原因在於USB連接器大多採用此種電源，而數位系統使用上也經常使用輸出電壓5伏特的情形。筆者也針對3.6伏特、2.4伏特與1.2伏特等不同的輸入電源，以及其他數位電路常用的輸出電壓3.3伏特進行測試，測試結果也是頗令人滿意。
 

第二項測試採用單一顆鎳氫、鎳鎘電池(1.2伏特)與兩顆鎳氫、鎳鎘電池(2.4伏特)輸入，以及USB連接器常使用的輸入電源電壓5伏特當輸出，進行穩定度(Stability)與漣波(Ripple)的測試。
 

圖6為示波器上所顯示的波形，圖左為單一顆鎳氫、鎳鎘電池(1.2伏特)負載電流150毫安培的情形，其漣波電壓83毫伏特；圖右為兩顆鎳氫、鎳鎘電池(2.4伏特)負載電流400毫安培的情形，其漣波電壓84毫伏特，其漣波電壓並不太會隨著輸入電壓加大而變大，反而對於負載電流較為敏感，容易受到不同抽載情形而改變。
 

以上漣波電壓為AIC3416升壓穩壓器輸出的的量測結果，再經由後面一級AIC6193的USB開關作為保護，將整個電源系統完整、安全的送到輸出的USB連接器，使手機連接器快速、簡單的獲得一組穩定的輸入電壓，讓沒有電的手機又可開始工作。
 

此外AIC6193也提供其他電源保護，例如短路保護(Short Circuit Protection)、溫度保護(Thermal Protection)及過電流保護(Current Limit Protection)等。上述提到的種種電源保護，都將有效地提供手機應急充幫助，免除各類的電源充電問題。
 

(本文作者任職於沛亨半導體)