使用高级 SP 产品来提高快速充电 Type C 和 NFC 解决方案的效率 FTF-MHW-N2141 JOE ZHAO 高级区域营销经理 2016 年 9 月 29 日
议程 SP 产品概述 通过 ESD 保护提高移动产品的可靠性 通过 MOSFET 和二极管提高效率 通过分立式器件优化 Type C USB3 设计 通过高效率分立式器件实现快速充电设计 通过 NFC 保护实现顺畅通信, 打造上乘用户体验 总结 1 1
您的第一选择 二极管 晶体管 ESD & EMI 滤波 SSMOS 功率 MOS 和逻辑产品 细分市场 反映在 10,000 多种产品中 实现途径 结果 汽车便携式设备工业 小信号二极管和晶体管 中等功率二极管和晶体管 ESD 保护和 EMI 滤波产品 小信号 MOSFET 功率 MOSFET 逻辑器件 高性价比供应链 高质量水平, 故障率小于 0.1PPM 扩展的 AECQ-100/101 产品组合 同类最佳的封装 #1 #2 #3 GA 分立器件 PowerMOS 汽车 Logic 逻辑产品 通信 消费电子 计算领域 每年出货量超过 700 亿片! 2
手持设备中的分立器件产品 天线保护 NFC 麦克风 / 扬声器 通用 ESD 保护 MIPI- 显示器 相机 键盘 存储卡 HDMI DisplayPort 充电器 / 电池保护 针对客户的特定产品 SIM 卡 Typc C USB2.0 USB3.0 USB3.1 3
产品组合 面向标准功能和尖端应用的广泛产品组合 静电保护和滤波 标准及低电容型 ESD 保护器件 浪涌保护 (TVS) 器件 共模和 EMI 滤波器 MOSFET PowerMOS 低 R DSon 沟道 MOSFET ESD 保护型 N/P 沟道 MOSFET 中等功率二极管和晶体管 中高功率双极性晶体管 / 低 V CEsat 晶体管 高压双极性晶体管 低 V F 肖特基和 PN 整流器 小信号二极管和晶体管 通用二极管和晶体管 齐纳 肖特基和开关二极管 配电阻晶体管 (RET) 路线图规划 扩大中等功率二极管和晶体管产品组合 扩大 MOSFET 产品组合 面向最新移动和高速应用的 ESD 保护 /TVS 器件 分立式器件的一站式购物选择 4
专业 量产 封装选项和寿命周期 持续改进工艺技术 常规功率封装 SMA(B/C) DPAK D²PAK ( 无 GA 产品组合 ) 无引脚封装最小 0.4 x 0.2 mm 高功率应用散热器 AOI 适用 ( 可焊侧盘 ) DFN1006 (-2/-3) DSN1006/0603 有引脚 SMD 封装 玻璃和通孔封装 DFN2020/1010 DFN/DSN1608 WLCSP LFPAK CFP 3/5/15 夹片式封装优异的电热性能高温应用 (175 ºC) 无线, 高度可靠高度仅 1 mm 增长稳定衰落 持续投资新技术研发 5
Type C 中使用的 标准产品 6
新型 Type-C 连接器 对最终客户的好处 : 可双向连接 支持更高充电电流 / 电压, 可提高充电速度 支持通过 Type-C 硬件发送 HDMI DisplayPort 等其他标准的数据 尺寸小, 支持小型和超薄型应用 USB Type-C 有可能成为唯一幸存的连接器, 尤其是移动设备 SuperSpeed Differential Tx pair HighSpeed 2 x Differential pairs SuperSpeed Differential Rx pair GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND Side-Band Usage (SBU) Communication Channel (CC 插座前部视图 7
Type-C 连接器布局 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 插头 GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 连接器可通过任一方向插入 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 插座 GND TX2+ TX2- VBUS CC2 D+ D- SBU2 VBUS RX21- RX1+ GND GND RX2+ RX2- VBUS SBU1 D- D+ CC1 VBUS TX1- TX1+ GND A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 插座前部视图 8
全功能 Type-C 连接器的引脚排列 超高速 Tx 和 Rx 线路需要在系统端通过一个高速开关连接 恩智浦提供从连接器到 SoC 的完整解决方案 请参看恩智浦 USB Type-C 连接器解决方案演示文稿 超高速差分 Tx 对 高速 2 x 差分对 超高速差分 Rx 对 GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND Side-Band Usage (SBU): 备选模式 ( 通过 USB 的其他标准 ) 和音频适配器配件模式 插座前部视图 通信通道 (CC): 确定插头方向 主机转器件关系 设置和管理电源选项 9
恩智浦 Type-C 保护和滤波产品 恩智浦 Type-C 参考设计的一部分 提供面向不同概念的布局和 Gerber 文件 : 带 ESD 保护的共模滤波器 多路 ESD 保护 单路 ESD 保护 提供行业领先的 TrEOS 保护, 涵盖各种尺寸, 单线和多线 使用带 ESD 的共模滤波器 使用多线 ESD 保护 使用单线 ESD 保护 10
ESD 新型 TrEOS 保护产品... 符合需求的尺寸理想的参数组合 低电容低钳位电压 卓越的信号完整性低至 0.10 pf( 典型值 ) 基准 SoC 保护, R DYN 低至 0.18Ω( 典型值 ) 超快深度位移回跳 单线和多线器件 (4 线和 6 线 ) 双向和单向配置 灵活的封装选项 高可靠性 最高 20 kv V ESD / 最高 9 A I PPM DSN0603 0.6 x 0.3 x 0.3 mm (0201 英寸 ) DFN2111-7 2.1 x 1.1 x 0.5 mm DFN2510A-10 2.5 x 1.0 x 0.5 mm 11
超高速 USB(3.1) 推荐器件 适合 10 Gbps 超低钳位电压, 有效保护敏感 SoC 解决方案选项器件编号封装 ( 尺寸 ) 电容数量 / 组备注 单线 ESD 二极管 PESD5V0H1BSF (SOD962) SOD962 (0.6x0.3mm) 0.2pf 10 件 PCB 布局灵活性能优异 多线 ESD 阵列 PUSB3FR6 (6 线 ESD) PUSB3FR4 (4 线 ESD) DFN 2.1x1.1mm DFN 2.5x1.0mm ~0.3 pf 2 件 降低 PCB 尺寸成本效益 带 ESD 保护的共模滤波器 PCMFxUSB3S PESDxUSB3S 0.8x1.2 0.3pf 4 件 组合式 CMF 和 ESD 全面的滤波和 ESD 保护 12
部分实例 : 高速 USB: 单纯 ESD 二极管解决方案 PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND 插座前部视图 PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF PESD5V0 H1BSF 13
部分实例 : 高速 USB:ESD 保护, 高集成度 PUSB3FR6 GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND 插座前部视图 PUSB3FR4 14
部分实例 : 高速 USB: 全滤波解决方案 推荐高 EMI 环境使用, 如手机 平板电脑 PCMF1USB3S IP3319CX6 PCMF1USB3S GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND 插座前部视图 PCMF1USB3S PCMF1USB3S 15
信号完整性 USB3.1 @ 10 Gb/s 典型电容样本 PUSB3FR4( 基于标准 FR4 测试板 典型电容 ) 标准 FR4 测试板 ( 无 ESD 保护 ) 限值电容样本 PUSB3FR4( 基于标准 FR4 测试板 最大限值电容样本 ) 16
带 ESD 保护和尺寸兼容 ESD 保护的共模滤波器 面向 1 2 或 3 对差分线的共模滤波器 尺寸兼容 ESD 保护器件支持在紧急关头在 CMF+ESD 和纯 ESD 之间进行切换 宽差分通带 (~6 GHz-3dB 频率 ) 宽带共模抑制 极其对称的射频行为 行业领先的系统保护和 8/20 浪涌可靠性 符合 ESD IEC 61000-4-2 规范的 ±15 kv 触点和 15 kv 空气放电装置 0.4mm 间距 WLCSP 封装 PCMFxUSB3S 数据表 : http://www.nxp.com/documents/data_sheet/pcmfxusb3s. pdf 线对数量 封装尺寸 带集成式 ESD 的 共模滤波器 同样封装的纯 ESD 产品 1 PCMF1USB3S PESD1USB3S 2 PCMF2USB3S PESD2USB3S 3 PCMF3USB3S PESD3USB3S 17
PCMFxUSB3S: 眼图测量结果 USB3 测试板无 DUT USB3 测试板带 PCMFxUSB3S USB3 测试板无 DUT USB3 测试板带 PCMFxUSB3S USB 3.1 @ 5 Gbps USB 3.1 @ 5 Gbps USB 3.1 @ 10 Gbps USB 3.1 @ 10 Gbps 18
PCMFxUSB3S 差分通带 PCMFxUSB3S 与其他选项相比 : 另一供应商提供的硅基 CMF( 带 ESD 保护 ) 另一供应商提供的最佳铁氧体 CMF( 带额外的 0.35 pf ESD 保护, 纯 ESD 保护差分 3dB 频率 :15 GHz) 相比所有其他解决方案, 在 6 GHz 3dB 频率条件下,PCMFxUSB3S 拥有最宽的差分通带 0,0 S 21dd -0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5 PCMFxUSB3S_DM Other_1(Si)_DM Other_2(Si)_DM Other_3(Si)_DM Other_4(Ferrite+ESD)_DM Other_5(Ferrite+ESD)_DM PCMF: 平稳过渡 -4,0 1,E+07 1,E+08 1,E+09 frequency (Hz) PCMF: 最宽的差分通带 (3dB 频率 ), 相比排名第二的解决方案, 优势达 1GHz 左右 19
Insertion Loss (db) PCMFxUSB3S 共模滤波 PCMFxUSB3S 与两种其他 USB3 硅基 CMF 相比 PCMFxUSB3S 在所有相关移动频率下, 均具有强大的共模抑制能力 为避免 USB3 基波在 2.5 GHz(5 Gb/s) 条件下对其他信号 (LTE WiFi 蓝牙 ) 产生干扰, 抑制极强 >10 db( 功率为一个数量级 ) 共模抑制在 700 MHz 至 10 GHz 之间 0-3 -6-9 -12-15 -18-21 -24-27 -30 Si other supplier 1 Si other supplier 2 PCMFxUSB3S 移动频率条件下共模抑制表现强劲 USB3.1 基波附近共模抑制性能最强 -33-36 PCMF -39-42 -45-48 1,00,E+07 1,00,E+08 1,00,E+09 2.5 5 GHz GHz 1,00,E+10 20
PCMFxUSB3S ESD 钳位 相比集成 ESD 保护的所有其他硅基 CMF,PCMFxUSB3S 的钳位电压要低得多 I TLP (A) 14 12 PCMF 所有 CMF 中最佳钳位电压 相比集成 ESD 保护的铁氧体解决方案,PCMFxUSB3S 的钳位电压要好一个数量级 10 8 更好的 SoC 保护 带 ESD- 保护的铁氧体解决方案为 ~500 V 6 PCMFxUSB3 4 Silicon competitor 1 Silicon competitor 2 Silicon competitor 3 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 V TLP (V) 21
部分实例,CC SBU 和 Vbus: 低速 4. 单一二极管解决方案 PTVS GND TX1+ TX1- VBUS CC1 D+ D- SBU1 VBUS RX2- RX2+ GND GND RX1+ RX1- VBUS SBU2 D- D+ CC2 VBUS TX2- TX2+ GND 插座前部视图 PESD 5V0X1 BCAL PESD 5V0X1 BCAL PESD 5V0X1 BCAL PESD 5V0X1 BCAL 22
TVS 防浪涌二极管 应用电路 ( 示例 ) Micro USB 接口 Vbus 或 Vbat 端的保护 TVS 二极管 防止浪涌破坏充电器 IC 主芯片等 TVS 防浪涌二极管保护 USB Vbus 或 Vbat 防止 TVS 冲击 TVS 二极管 23
采用各种封装的 TVS 产品组合 系列 PTVSxS1UR PTVSxU1UPA PTVSxZ1USK 封装 SOD123W DFN2020-3 DSN1608 示意图 -/-48% -/-63% PCB 面积 9.24 mm² 4.83 mm² 1.8 mm² Pppm (10/1000us) (8/20us) 400W 300W 3000W 200W 1200W 量产情况已量产已量产已量产 5V 和 12V 24
采用 DFN2020-3 封装的 TVS 二极管 目标应用 : 保护平板电脑和手机的 Vbus 和 Vbat 产品组合 : 型号 V RWM V BR 最小值 V BR 最大值 I PPM 8/20µs V CL 8/20µs P PPM 8/20µs PTVS7V5U1UPA 7.5 8.33 9.21 178A 19.7V 3000W PTVS10VU1UPA 10 11.1 12.3 148A 23V 3000W PTVS12VU1UPA 12 13.3 14.7 131A 25.5V 3000W PTVS15VU1UPA 15 16.7 18.5 111A 28.8V 3000W PTVS18VU1UPA 18 20 22.1 97A 32V 3000W PTVS26VU1UPA 26 28.9 31.9 69A 43.5V 3000W 25
智能手机充电器路径中的 TVS(DSN1608 封装 ) PTVS12VZ1USKN PTVS5V0Z1USKN 型号 VRWM (V) 最终样片已量产 Vcl @ Ippm 8/20µs (V) Ippm 8/20µs (A) 封装 PTVS5V0Z1USKN 是是 5 PTVS5V0Z1USK 是即将 18 80 PTVS7V5Z1USK 7.5 是 即将 23 70 PTVS10VZ1USK 10 是 即将 29 60 PTVS12VZ1USKN 是是 12 PTVS12VZ1USK 是即将 32 65 PTVS15VZ1USK 15 是 即将 40 44 PTVS18VZ1USK 18 是 即将 43 40 PTVS26VZ1USK 26 是 即将 60 25 DSN1608 (1.6 x 0.8 x 0.25mm) 26
快速充电使用的 标准产品 27
手机充电器 发展史 许多手机都只有一个连接器, 既充当充电线, 又充当 USB 数据线 USB 2.0 主机端口的处理能力为 500mA( 最大值 )@VBUS=5V( 最大值 ) 充电限值 = 2.5 W USB 连接器和线缆电流限制为 1 A 左右 面向低功率器件, 如键盘 鼠标 摄像头 闪存记忆棒 适合手机锂电池慢速充电 PC USB 2.0 500mA 5V 移动设备基于 2.5 W 的可用充电功率 AC 适配器 5V @ <0.5A. 28
快速充电 必要性 最近的发展趋势包括更大的显示屏 更多的功能 (GPS 摄像头等 ) 更高的电池容量和更强的处理能力 快速充电必不可少 USB-PD 包括升压 (<20V) 和升流 (<5A), 可输出 100 W 快速充电适配器采用专有的连接器 / 线缆 ( 典型值 <3A), 并且 / 或者使用升压 ( 典型值 <20V) 技术, 以最大限度地提高输电能力 USB 供电 10W 2A @5V 18W 1.5A @12V 36W 3A @12V 快速充电 AC 适配器 5V 9V 12V 20VDC 2.5A 更大的 LCD 显示屏最大的电池更多的功能, 如 GPS 摄像头 - 需要更快的充电 29
快速充电 工作原理 锂电池可以快速 ( 快 3 至 4 倍 ) 充至满电量的 75% 复杂的电池监控机制测量电池的温度 电压和电流 智能通信确定支持哪个等级的快速充电方案 如果发生故障, 额外的安全机制 (Mosfet 保护开关 ) 会切断电流 USB 供电 10W 2A @5V 18W 1.5A @12V 36W 3A @12V 快速充电 AC 适配器 5V 9V 12V 20VDC 2.5A-5A 更大的 LCD 显示屏最大的电池更多的功能, 如 GPS 摄像头 - 需要更快的充电 30
快速充电 基本操作 供电设备含有一个 MOSFET, 后者可在检测到故障条件下安全地断开电源 手机含有一个安全 MOSFET, 可在发生故障条件时断开连接到电池的电源 USB_PD 适配器 10W 2A @5V 18W 1.5A @12V 36W 3A @12V 通信机制确认线缆 手机和适配器是否支持快速充电 如果电压 / 电流 / 温度无问题, 则 启用快速充电, 直到充满 ~75% 的电容为止 如果在充电器 / 线缆 / 电池中检测到故障, 安全 MOSFET 会阻断充电 31
快速充电 框图 AC-DC 快速充电适配器 快速充电手机 AC-DC 返驰或 LLC 固定 / 可变输出电压 MCU 监控适配器过载故障检测 信令机制确认 线缆 手机和适配器支持快速充电并且电池电压 电流和温度均符合要求然后启动快速充电 MCU 监控器件过载故障检测 32
快速充电 MOSFET 用来保证安全和提高效率 SR MOSFET 5V 输出 - 典型 60V MOSFET 12V 输出 - 典型 80V MOSFET 20V 输出 - 典型 100V MOSFET AC-DC 快速充电适配器 快速充电手机 AC-DC 返驰或 LLC 可变输出电压 MCU 监控适配器过载故障检测 通信机制确认, 线缆 手机和适配器支持快速充电并且电池电压 电流和温度符合要求, 然后启动快速充电 MCU 监控器件过载故障检测 33
面向快速充电和 USB-PD AC-AC 适配器的恩智浦逻辑级 MOSFECT MOSFET 类型 最大 R DSon mω 电压 封装 PSMN1R0-40YLD 1.1mΩ PSMN1R4-40YLD 1.4mΩ PSMN1R6-40YLC 1.6mΩ PSMN1R8-40YLC 1.8mΩ PSMN4R1-60YL 4.1mΩ PSMN5R2-60YL 5.2mΩ PSMN5R6-60YL 5.6mΩ PSMN7R5-60YL 7.5mΩ PSMN013-60YL 13mΩ PSMN8R5-80YL 8.5mΩ PSMN011-80YL 11mΩ PSMN014-80YL 14mΩ PSMN025-80YL 25mΩ PSMN012-100YL 12mΩ PSMN015-100YL 15mΩ PSMN019-100YL 19mΩ PSMN021-100YL 21mΩ 40v 60V LFPAK56 80V 100V PSMN011-60ML 11mΩ 60V LFPAK33 推荐应用 同步整流器 LLC 和返驰拓扑结构 USB-PD 和快速充电适配器 ( 输出电压为 5V) 特性和优势 低 R DS(on) 逻辑级门 Vgs=5V 条件下测得 100% R DS(on) 100% 雪崩测得 / 额定值 低 Q rr 强大的体二极管 ( 经 CDSOA 测试 ) T j( 最大值 )=175 ºC 可波峰焊接的 LFPAK56 封装 34
在充电器和移动电源领域的分立产品 模块功能系列型号规格备注 DCDC 肖特基整流器 MEGA 肖特基 整流器 PMEG6045ETP PMEG4050ETP PMEG60V100EPD PMEG100V080ELPD PNxxER 40 100 V SOD128 CFP15 SOD123W 多用于多输出电压器件的 DCDC 转换 MOSFET 驱动器 N- 沟道 逻辑级 BUK9Y8R7-60E PSMN1R4-40YLD PSMN015-100YL BUK9Y15-60E 60V -100V 1.15-8.7 mohm (LFPAK) 同步拓扑结构 信号 LED 驱动等 通用开关 ssmos ss 晶体管 PMXBxxUNE BC8x7 PMBT390x DFN1010 SOT323 更小的封装, 更强的性能 通用开关 开关二极管 BAS16 BAS316 <100V,2 和 3 引脚 SMD 5/ 适配器 电压线路保护 电压钳位 齐纳二极管 BZX384 BZT52H 2 引脚 SMD *) 500mW P tot,minimelf/sod80c 的替代产品 6/ 适配器 线性电压调节 MOSFET 驱动器 双极性开关 高 Ptot 晶体管 PHPT61002xYC 100V 2A LFPAK 最高 3W Ptot 高 hfe 35
NFC 解决方案中使用的 分立器件 36
NFC 天线 ESD 保护的动因 NFC( 近场通信 ) 是许多新型中高端智能手机中的一个标准接口, 用于 : 非接触式支付 公交票务 以非接触方式轻松传输数据 NFC 天线通常与电池盖融为一体, 或集成在电池中, 并通过手机上的小触点连接 NFC IC 这些触点是 ESD 冲击的绝佳入口点, 对 NFC IC 具有潜在的破坏性 因此, 强烈建议采用外部 ESD 保护 37
NFC 天线 ESD 保护 主要特性 双向 ESD 保护器件 反向平衡电压 :V RWM =18 V 或 24V 0.3 pf 的超低线路电容 整个偏置电压范围内的电容变化降至最低水平 适用于 NFC 天线端子 0201 和 0402 的超小尺寸, 可节省 PCB 占用面积 ESD 可靠性高达 10 kv(iec61000-4-2) 产品组合 型号 V RWM C D 典型值 / 最大值 V ESD 封装 PESD18VF1BL 18 V 0.35/0.5pF 10kV DFN1006-2 PESD18VF1BSF 18 V 0.3/0.45pF 10kV DSN0603-2 PESD24VF1BL 24 V 0.35/0.5pF 10kV DFN1006-2 PESD24VF1BSF 24 V 0.3/0.45pF 10kV DSN0603-2 DFN1006-2 1.0 x 0.6 x 0.48 mm 封装选项 电容变化小 DSN0603-2 0.6 x 0.3 x 0.3 mm 38
应用原理图 直接在天线处进行保护 天线电压需持续低于 V 峰值 <18V(24V) 经证明, 支持 PN547 39
ESD 可靠性测试 结果 有 ESD 保护 无 ESD 保护 无 ESD 保护时, 在几次放电之后, 漏电压显著增加 原因 : 电容受损 ESD 保护设计, 泄漏或击穿电压无变化 40
ESD 钳位 结果 无 ESD 保护 有 ESD 保护 有 ESD 保护时, 钳位电压减少 75% 以上 41
NFC 天线 ESD 测试结果 结论 PESD18VF1BL/BSF 可在最高 12kV 的触点放电电压条件下有效保护 NFC 天线电路 在 ESD 保护应用中,PN547 天线引脚处的 ESD 钳位电压减少了 75% 无 ESD 保护条件下, 当放电电压超过 10kV 时, 电容内部可见火花 受损电容有明显的裂缝, 并且漏电流显著增加 强烈建议采用天线 ESD 保护 42
选型指南 43 43 选型指南
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