快充行业风口已经来临，PD快充三大安全挑战及对策！

　　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。

　　

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