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USB充電器的電路保護方案

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USB充電器的電路保護方案

一、結構上最大限度滿足小尺寸電源適配器對器件的小體積要求
以USB power Adapter為例，在這個層面上，結構限制了內部元件的體積，例如硬幣大小的PCB面積也讓SMD元件成了工程師的首選。
USB充電器
圖1 整體設計的PCB面積均如硬幣大小，可以讓外觀做到迷你型。
作為安規元件的保險絲，MF2410通用模塊保險絲滿足了上面的小體積和SMD工藝的需求。相對于傳統保險絲的尺寸，MF的體積小優勢十分明顯。
我們來看看市面上常用的幾種保險絲尺寸大小比例：
表1 常見保險絲尺寸比較
常見保險絲尺寸比較
圖2 可以看出MF 通用模塊保險絲最大限度滿足對體積的要求。
二、適合回流焊與波峰焊的SMT工藝
從生產工藝上講，AEM 的MF保險絲材料與結構獨具特點，這種SMT生產工藝不單省卻了不少人工與輔材成本，根據我們對采用SMD fuse的客戶原因調查，插件的引腳彎折加工導致fuse本體壞也是其中一種原因。
其次，由于電源電路插件的元件必不可少，電源適配器廠家有采用波峰焊焊接的方式，保險絲需要承受波峰焊錫高溫，與業界其它SMD陶瓷保險絲相比，AEM 的UMF通用模塊式保險絲以環氧樹脂為基體，電鍍通孔的連接方式使熔絲與端頭形成可靠的電連接和機械連接，不存在端頭焊接受熱脫帽現象，耐高溫的能力突出。
滿足波峰焊、回流焊或手工焊的焊接工藝
圖3 滿足波峰焊、回流焊或手工焊的焊接工藝
三、基于電源電路設計的應用
USB充電器電路屬于AC/DC電源線路，典型的開關電源組成如下：
開關電源電路組成框圖
開關電源電路組成框圖
開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等.
1、常見輸入電路對保險絲的雷擊測試考量：
1.1、AC 輸入防雷電路工作原理：

雷擊測試時，由 MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流 過大，F1、F2、F3 會燒毀保護后級電路。當然在實際客戶應用中，基于成本考慮，大部分充電器廠家對F2、F3只在嚴酷的環境中使用。典型電路單元如下：

充電器廠家

1.2我們來計算差模雷擊對保險絲的要求：
>>電路若有阻抗(如MLV)，Peak值估計大約為理論值的60~70%;例如，典型的雷擊電流波形和參數如下：
適配器
根據IEC最新標準要求四個相位角度測試至少10次，計算：
對于差模500v, I2T= 0.5*(250A*70%)^2*30us=0.416 A2S.
由此估算：差模500V，需要保險絲的I2t至少0.46 A2S以上，MF2410系列1A 保險絲在在該時間段I2t為0.6A2S，滿足500V雷擊要求。
對于差模1000v, I2T= 0.5*(500A*70%)^2*30us=1.83 A2S.
由此估算：差模1000V，要求2以上，MF2410 2A 保險絲在該時間段I2t為3 A2S，因此可以滿足該級別雷擊的需求。
根據歐規EN55024 和國標GB17618標準，通信類消費電子產品電源(charge、Adapter…)以雷擊差模1000V,共模2000V為標準。因此，基于2410尺寸的MF 2A保險絲滿足差模1KV的雷擊要求。
2、 對開機浪涌的防護
為了避免保險絲不正常的熔斷，除了要知道AC/DC電源正常工作電流，工程師對Inrush current進行計算評估也顯得相當重要。電源電路存在較大的儲能元件，AC輸入端的濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。如電路圖中，當電源通電瞬間，要對 C5 充電。由于瞬間充電電流大，對保險絲熔絲形成熔斷風險，這種情況要求工程師對Inrush current做計算評估了，再選定額定電流規格的保險絲。例如，我們曾對采用4.7uf的電解電容的12V電源適配器捕捉的Inrush current 波形情況如下：
10W電源適配器
上圖參數如下： Inrush Current : Ipeak=35.9A;Duration : t≈30us
計算Inrush I2t=1/2* Ipeak2*t=0.0019 A2S，按照保險絲脈沖折減比例，滿足100000次開機浪涌的需求，保險絲的I2t(熱熔值)需要滿足：
0.0019/20%=0.095 A2S
所以 需要保險絲的I2t≥0.095A2S， 從抗電流浪涌角度MF2410F0500TM以上型號保險絲均滿足要求。
3、UMF保險絲的通用性問題
保險絲除了滿足電路的上述要求外，產品的通用性也是工程師考慮的問題，作為安規器件，如此小尺寸的保險絲，獲得通往各國市場的安規認證，也是獲得客戶訂單必要條件。事實上，AEM推出的這款全球技術領先的產品，以全球最小尺寸符合IEC60127-4標準，同時取得歐規、美規、CQC、KC、PSE、VDE等國家和地區安規認證。滿足人們對保險絲熔斷保障安全的要求。
4、應用于新型USB 電源適配器 快充技術的方案。
適配器
如今人們的手機和平板電腦等移動設備的屏幕越來越大，設備耗電量的越來越高的情況，市場要求電源制造商須在更小的產品體積當中提供更大功率的充電功能。目前，最新的AC/DC適配器解決方案是基于高通Quick Charge 2.0協議的快速充電解決方案。作為最新的USB電池充電技術，它使支持Quick Charge 2.0的被充電設備比傳統的USB充電方式快至75%。
電源適配器廠家
圖4 采用MF2410 2A/250VAC fuse的 iwatt 快充方案
左圖4 為基于Dialog 公司2014年初推出的iw620+iw1760的快速充電設計方案實物圖，電路的設計思路為iW620快速充電接口IC可以通過USB數據線檢測到支持Quick Charge 2.0的移動設備發出的指令，然后與iW1760 PWM原邊控制器進行通信，對電源適配器輸出電壓進行配置。位于初級側的iW1760就可提供電流感應。 通過其可編程的主動快速放電專利技術能將輸出電壓從9V或12V降至5V， 因此，當用 戶拔掉連接Quick Charge 2.0手機的USB數據線，再將其連接至非Quick Charge 2.0手機時，iW620可以迅速把輸出電壓降至5V，避免對其造成損壞。原理由圖如下：
開關電源
這類代表著最新USB充電技術的AC/DC適配器選擇SMD fuse的優勢除了前述的參數滿足要求外，還具備下列的優勢：
4.1 . MF 保險絲支持更低的待機功耗和更高的性價比
為了應對日益嚴苛全球環保法規，例如歐盟的外部供電能源效率行為準則(Code of Conduct, CoC)對充電產品的功耗和效率都提出了具體的更高要求。因此電源方案制造商有必要對快充方案做到待機功耗足夠小和高效率的運作輸出充電功率。
目前市場上有采用保險電阻的電源適配器，功耗遠大于應用保險絲的功耗。例如，選用市面上常用的10Ω5% 1W的保險電阻與MF 2410F1.000TM( 內阻約0.0084Ω)功耗相比：W=I2R，輸入阻抗的增大，將給整個系統增加無謂損耗。
現今，由PI、Dialog、NXP等電源IC領導電源適配器廠商紛紛推出兼容Quick Charge 2.0協議的快速充電的電源IC，預計未來幾年支持Quick Charge 2.0協議的AC/DC適配器將逐步普及。
這類新型的小尺寸低功耗 USB充電器追求的元件SMT工藝化，逐漸降低生產企業人力成本等。隨著市場的逐步擴大，又促使SMD元件廠家推出更符合市場要求的價格，進一步滿足小型電源適配器對元件高性價比的要求。

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| 發布時間：2017.12.06    來源：電源適配器廠家
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