AMAZINGIC晶焱科技：手机产品应用的EOS测试需求与方案

手机已经演变成人类生活中最不可或缺的电子产品，并且是全球使用最多及最频繁的电子产品。对于其庞大的使用量，不仅仅在于平时对屏幕的点击，对于充电口或耳机界面的插拔也是常用动作。所以手机的品质及性能对于使用者体验尤其重要，尤其在智能手机的普及使用下，频繁充电已成为用户的习惯，再加上现在手机大部分具有快充功能，在进行大功率充电过程时极易产生EOS破坏，使手机内部元件遭受损坏而不能正常使用，严重影响用户体验。

 

手机充电技术

近几年来，手机的发展突飞猛进，更丰富的应用，更大的屏幕、更高解析度、更高效的性能让其在通讯功能、社交办公、休闲娱乐等领域发挥着越来越重要的角色。但是在面对如此多工的时候，绝大多数智能手机的续航成了问题。

 

手机一体化后电池已无法随意拆卸更换，在电池容量技术尚未突破前，手机快充技术应运而生。这大大缩短充电时间，有效的提升用户体验。

 

快充技术的原理均为提高充电电压或电流以增加充电功率，达到快速充电功能。目前主流快充技术有QC charger，USB-PD及各家手机厂商快充技术，如华为Supercharge，VIVO双引擎快充，OPPO VOOC，小米Super Turbo。

 

无论是哪种快充技术，其功率都在不断增大，2021年，USB-IF协会公布全新的PD3.1标准，将最大充电功率从100W增加到240W。而各手机厂商也陆续宣布其240W快充技术。充电器输出电压需要从5V升至9V/10V/12V，甚至更高的20V。如图1为华为66W超级快充技术，其充电电压可达11V。全球手机用户由于充电环境复杂多样，就算仅是一般5V/1A常规充电都极易遭受EOS破坏，再加上市面非原装充电器及充电线材品质粗糙难于分辨，许多开发中国家供电电压存在不稳定的因素，造成用户充电过程极易产生EOS。

 

除此之外，现今手机使用者通常有频繁充电的习惯，因此经常进行充电线的插拔动作，也会带来ESD破坏的问题。在大能量大功率快充过程中，由于涉及高压大电流及更多元件模组，EOS波动将更大更频繁，若手机充电端没有有效的ESD/EOS保护方案，后端PMU，OVP等IC会损坏导致手机故障。

 

图1 . 华为66W超级快充技术

 

 

测试需求

为应对日益严重的界面EOS打击，所以各大手机厂商都各自制定符合自己情况的EOS测试方案。以某大品牌为例，其EOS规格以8/20uS 2ohm的测试方法为标准，具体如下：

(1) USB Type C_TX/RX test 25V Class C

(2) USB Type C_D+/D- test 25V Class C

(3) USB Type C_CC/SBU test 40V Class C

(4) Audio test 80V Class C

(5) Battery test 200V Class C

(6) VBUS test 300V Class C

 

从以上测试标准可见，手机厂商对EOS防护极其重视，例如一些品牌对Vbus的最高防护标准甚至可达EOS 450V来应对充电界面的可能遭受EOS的打击。

 

界面特性

目前市面上除少数机型及苹果手机外，充电界面类别型将会统一为Type-C界面。Type-C是一种USB界面的外形标准(如图2所示)，其最大的特点是不分正反两面，任意一面都可以插入，极大地提高了用户的便利性和使用效率。不同于过去传统的USB界面，Type-C的大小约为8.3mm×2.5mm，更加小巧且轻薄，因此非常适合用于轻薄的电子设备，如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等。

 

图2 . Type-C界面外形图及引脚示意图

 

 

但在如此紧密的空间内，连接器的PIN脚数量达到了24pin，引脚之间的间距非常小。在复杂的实际应用场景中，容易造成pin脚之间误接触。其中极端情况下VBUS提供的高压快充电压会短接到CC或者SBU pin(请参考图2所提供之引脚示意图)，甚至误触到D+/D-信号。由于CC和SBU pin正常的工作电压分别是5V及3V，当有直流高电压短路时，可能会造成后端IC烧毁和TVS损坏。

 

信号端EOS保护方案

如上述的讨论，在接口防护设计时候，除了要满足ESD和EOS的防护要求外，还要考虑到如果VBUS短接到CC和SBU时，不能出现硬件损坏。晶焱科技自成立至今专注EOS/ESD保护，在EOS/ESD领域拥有过百项专利，技术得到各大厂商认可。如表1所示，晶焱科技提供完美EOS保护方案，AZ5H15-01F和AZ5H33-01F不仅提供了高击穿电压特性，预防Type-C VBUS高压误触时将TVS烧坏。另外EOS防护参数Ipp分别有22A和13A，将有效防护EOS的打击，可谓两全其美。图3展示的是AZ5H15-01F的TLP曲线图，由图中可观察到其提供了电压回拉技术，可让钳制电压做到更低，对后级IC有更好的保护效果。而AZ5B9S-01F则用于保护Type-C高速信号TX/RX，其0.15pF的超低寄生电容，保证了高速传输的信号完整性，同时在如此低容值的条件，依然能提供4A Ipp浪涌规格。对于音讯信号的保护方案，虽然现在大部分手机音讯界面已经集成于Type-C界面，但依然有些机型为独立界面，当耳机线材拔插时，可能会产生EOS打击，晶焱提供如表1所示的AZ5845-01F作为保护方案，其Ipp浪涌规格高达55A。而AZ5B9S-01F则保护高速信号TX/RX，其0.15pF的超低寄生电容，保证了高速传输的信号完整性，同时在如此低容值的条件，依然能提供4A Ipp浪涌规格。

 

 

表1 . TVS保护方案列表

 

图3 . AZ5H15-01F的TLP曲线图

 

 

充电端EOS保护方案

在充电端EOS防护上，可以透过电路设计及TVS选型来符合各大手机厂商测试要求。如图4（a）所示，为手机充电口电路简化图，针对VBUS保护方案，可在DC in添置TVS1 （靠近界面，置于OVP前端），而Vbattery 保护方案则在PMU正极添置TVS2，置于PMU端。防护电路要适用DC高压输出的特性，同时避免低压EOS突波损坏TVS，而OVP可抵挡阻绝直流能量，所以第一级TVS1如图4 （b）使用15V，18V 或24V Surge TVS：AZ4715-01F, AZ4718-01F或AZ4724-01F，提供Ipp超过100A EOS保护能力。TVS2作为第二级防护，用于将后端EOS残压导通至地，在一般设计需求下可选用5V Surge TVS: AZ3205-01F，提供Ipp 100A EOS保护能力，或在应对双电芯应用时选用10V Surge TVS AZ4510-01F的保护方案。实用有效的二级TVS防护，将会大大降低手机充电端不良返修率，提高手机品质。

 

EOS应用方案概况

针对手机充电端，我司EOS保护方案结合手机充电原理，不影响正常充电功能及信号传输。可应对用户频繁插拔充电和复杂使用环境问题，使用手机免受EOS破坏，大大减少手机故障事件。TVS与OVP形成对DC及AC干扰的防护组合，是目前手机行业主流的EOS防护方案。

 

图4 .（a）手机充电端电路简化图; （b）TVS型号及规格清单