手机USB充电所面临的绿色挑战

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谁能想到手机产业会影响环境?当你在思考如何减少生态污染时,想到的可能是改变汽车设计,或使用绿色能源,根本不会是手机。然而,我们确实看到手机充电器对环境造成了很大的影响。手机行业已经开始使用通用充电解决方案(UCS)来解决这个问题,UCS将改变手机制造商设计手机的方式。本文将对实现安全充电接口需要考虑的因素加以分析。

一个手机用户一年会产生约17公斤的二氧化碳,相当于汽车行驶111公里。这个数字不是很大,在保护环境方面似乎不是优先考虑的对象。然而,如果换一个角度看,你会发现,去年全球手机出货量达12亿部,每一部手机都有自己专用的充电器。在这12亿部手机中,估计有5亿部是替代性手机。拿到一部新手机通常都会让人兴奋不已,但人们对更换充电器显然没有任何兴趣。当你认识到手机更新换代的周期平均是18个月,而大多数手机都有专用充电器(包括同一个牌子的手机),那么对家里冒出3到4个没用的手机充电器就不会感到奇怪了。事实上,以前的充电器适用于新手机的概率只有10%左右。

这也是我们开始看到政府和机构以及手机产业中的著名企业成立专门组织来减少这种浪费的原因了。

中国信产部在2006年12月颁布了一份新的标准,即YD/T 1591-2006,旨在标准化墙式充电器和连接电缆。在中国市场上发布的每部新手机都必须经过认证以符合这一标准要求。

2009年2月在巴塞罗纳举行的最近一次移动世界大会上取得了另外一项重大进展,即GSMA(包括5家全球最大的手机制造商)和17家手机运营商一致同意在2012年前提供使用微型USB连接器的通用充电解决方案(UCS)。

这一行动将有望消除高达51,000吨无用的手机充电器。假设手机充电器的生产量每年会削减两成,那么这个产业每年有望减少1,300~22,00万吨的温室效应气体。

除了对生态有明显影响外,当你周末与家人一起出去度假时你就不再需要携带两三个充电器了,你完全可以找某个人借一个充电器给你的手机充电。

标准化

然而,为了使UCS取得成功,对手机制造商的第一个要求是其对通过USB对电池充电的标准表示赞同。于2007年8月8日颁布的电池充电规范1.0版本,规定了便携式设备从USB专用充电器获取电流的限制和检测机制。中国通信标准YD/T 1591-2006对在中国发布的手机也提出了同样的要求。

手机需要检测并判断插入的是一个USB充电器还是另一个进行数据交换的终端(如计算机、其他手机等)。为了做到这一点,D+和D-在USB充电器内被短路(通过一个必须小于200Ω的电阻RDCHGR_DAT)。如果有个设备通过USB端口连接到手机,D+线将被驱动到VDAT_SRC电压,吸收电流为IDAT_SRC。如果在D-线上检测到一个特定电压(取决于RDCHGR_DAT和IDAT_SRC),即意味着手机连到了USB充电器。

上述电池充电规范规定充电器最大输出电流必须是1.5A,充电器最大输出电压必须是5.25V。中国的YD/T 1591-2006规定充电器最大输出电流为1.8A。

主要挑战在于保护

然而,主要挑战还不是如今已有完善规定的电池充电标准,而是USB充电器的质量。事实上,一部昂贵的智能手机可能被连接到一个质量很差的USB充电器,比如没有充电监视、没有保护、噪声很大等等。如果手机被外部充电器弄坏用户是不能接受的,而且可以肯定的是,如果某个品牌的手机很容易因充电而损坏,那么这个手机牌子给人的印象会大打折扣。

因此,由于手机制造商再无法控制墙式充电器的质量,因此他们需要将保护电路直接安装在终端内部。保护手机要比保护充电器更具挑战性,原因有两个:

1. 由于已经集成了数百项功能,手机的PCB尺寸大大减少。保护装置的厚度必须适合超薄手机(总共才7mm厚)或翻盖手机。

2. 保护装置不能影响手机本身的性能,因此漏电流必须非常低。

为了选择合适的保护器件,手机设计师必须对连接到USB端口的内部充电电路进行风险评估。

第一个人们熟知的风险是静电放电(ESD)。ESD可能在任何时间发生,无论手机是否在充电。用户只要触摸USB连接器,就可能向USB电路引入高达30kV的ESD浪涌电压。很多设计师已经知道,USB端口必须用能够承受至少IEC61000-4-2标准中4级浪涌电压(8kV接触放电)的器件进行保护,对于他们来说,这并不是新的风险。市场上大量的瞬态电压抑制器(TVS)二极管足以用来减轻这个风险。


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