智能手机microUSB端口数据线保护方案

关键词： microUSB端口 , 数据线 , PolySwitch , 过温保护 , 过流保护

        1．智能手机micro USB端口存在的问题
目前市场上的智能移动手机，绝大多数设备集大屏幕和多种功能于一身，同时还要求设备能长时间工作，这势必需要更大容量的电池来支持这一特性。而电池容量的增大，如果还是按照以前的小电流充电，必然会增加充电时间，这会大大降低智能手机的用户体验。如果需要充电时间不变、或者在短时间内能完成90%电池充电，就必须使用充电电流更大的手机充电器。
因此为符合智能手机的这一变化，目前市场上主流的手机充电器已经由之前的500mA~700mA充电电流变成了1A~2A的充电电流。充电电流的增大，对于充电数据线的要求也提出了更高的要求，不仅仅是数据线中电源线和接地线的线径变粗，同时对于小型的microUSB端口接触的可靠性也要求更高。如果microUSB端口在使用过程中有接触不良、或者有异物掉入（类似汗液之类东西）等情况发生，那么在2A电流充电的过程中，在microUSB端口处就会有很大的功耗（I2R的关系），如果这个功耗大大的超过手机microUSB端口能承受的范围，端口就会发热，进而烧黑，严重情况下会烧毁手机，发生火灾。在智能手机实际使用过程中，发生手机烧毁甚至爆炸的案例，也时有所闻，这对消费者的人身安全构成了重大的危险，对智能手机microUSB端口的安全保护也成为众多厂家亟需完善的课题。
针对智能手机数据线的microUSB端口存在的以上风险，TE Connectivity公司（以下简称TE公司）电路保护事业部已经提出了解决方案，使用高分子正温度系数可恢复电阻（PolySwitch产品）安装在microUSB数据线内部进行有效温度保护。下文首先介绍一下PolySwitch产品。




       

2．PolySwitch产品特性介绍
TE公司电路保护部门PolySwitch器件是由半晶状聚合物和导电微粒复合而成。在正常温度下，导电微粒在聚合物中构成低电阻的网格（如图1所示）。然而，不论因为通过器件的电流升高或者因为环境温度升高，当温度高至器件的开关温度（TSw）时，聚合物内的晶状体将熔化并变成非晶状。而在晶状体的熔化过程中其体积将增加并分离了导电粒子，从而导致器件电阻非线性的增加。

图1 PolySwitch工作原理

        
只要外部施加的电源电压保持在这个电平，则器件会一直锁定在动作状态（即器件会一直保持闩锁在保护状态）。一旦电压下降或者电源被断开重新启动后，PolySwitch器件就会恢复到正常工作状态。




       

3．TE公司的micro USB端口保护方案介绍
从上文知道，TE公司的可恢复保险电阻PolySwitch产品是一种可以实现过温以及过流保护的器件。在智能手机microUSB端口数据线保护方案中，只需要简单地把PolySwitch器件串联到microUSB接口 Vbus电源中，只要PolySwitch产品监测到microUSB端口的温度超过一定数值，可恢复保险电阻就会动作，电阻增大，从而切断高达2A的充电电流，使microUSB端口的温度冷却下来而不至于损坏端口。
在使用中需要注意的是，要把PolySwitch产品放置到microUSB数据线一侧，才能对端口发生的故障实现有效的保护。如果把PolySwitch放置到智能手机内部，也就是手机的电源输入端处，虽然这个方式可以对手机内部的短路和过流实现有效的保护，但是对于在microUSB端口发生的故障不能实现有效地保护，因为由于端口处异物的存在，在microUSB端口就形成了一个低阻回路，手机充电器的电流可以经由microUSB端口的低阻回路回到充电器电路中，也就是电流不会再流到手机内部。图2是智能手机microUSB端口保护简图。电路保护的一个原则就是保护元件一定要放在被保护电路的上游处，这样才能对下游的电子器件实现有效地保护。对于这种故障原因，PolySwitch一定要放在故障点即端口之前才能有效地实现保护，所以PolySwitch产品放在microUSB数据线内部是一种切实可行的方案。

图2 智能手机microUSB端口保护简图

        
对于智能手机microUSB端口保护，TE公司的PolySwitch方案，和集成电路方案相比，具有可靠性高，成本低，使用简单等特点。集成电路方案利用温度传感器检测端口温度，需要温度检测芯片、NTC温度传感器以及控制回路等，元器件多，设计复杂，成本高。TE公司的PolySwitch通过UL认证，是一种可靠性非常高的元器件，只需要一个元件就能实现有效全面保护。同时TE 公司的电路保护事业部凭借着几十年在可恢复保险电阻产品的经验，更可将该产品与microUSB端口处安装设计的影响简化到最小化，从外观上基本不改变microUSB数据线的原有形状。
4．结束语
microUSB数据线不仅仅在智能手机上有着广泛应用，在其它移动智能设备比如平板电脑上同样有着非常普遍的应用。TE电路保护部始终致力于提高用户使用的安全性，在智能设备microUSB端口的保护提出了很多具体实施方案，为客户提供一整套完整的保护解决方案。