【導(dǎo)讀】眾所周知，手機(jī)處理器正在以摩爾定律的速度前進(jìn)著，已由最初的單核雙核進(jìn)化到如今的八核十核。相比于手機(jī)硬件性能的飛速前進(jìn)，電池技術(shù)的進(jìn)步用“龜速”來(lái)形容一點(diǎn)也不夸張，甚至成為了提升用戶體驗(yàn)的瓶頸之一。如今手機(jī)廠商解決續(xù)航問(wèn)題的辦法無(wú)外乎兩種：直接使用大容量電池，以及使用快速充電技術(shù)，相較于前者的“簡(jiǎn)單粗暴”，后者的實(shí)用性顯然更高。
隨著用戶體驗(yàn)正漸漸成為手機(jī)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，快速充電技術(shù)成為一項(xiàng)吸引用戶的重要指標(biāo)。經(jīng)過(guò)近幾年發(fā)展，快速充電技術(shù)正逐漸成熟起來(lái)，包括高通、聯(lián)發(fā)科、華為、Oppo等公司推出了各種快速充電協(xié)議，處于群雄紛爭(zhēng)的“戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”，提高功率密度、對(duì)不同協(xié)議的兼容、可靠的控制機(jī)制等成為快速充電急需解決的挑戰(zhàn)和難題。
在近日由EEVIA主辦的“2016中國(guó)ICT媒體論壇和產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)上，致力于高能效電源轉(zhuǎn)換的高壓集成電路業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱PI）公司的高級(jí)應(yīng)用工程師、實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Jason Yan對(duì)在場(chǎng)的媒體和工程開(kāi)發(fā)者深入闡述了快充技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及借助PI最新方案的應(yīng)對(duì)之道，并正式宣布推出最新一代恒功率、高效率InnoSwitch-CP系列恒壓/恒流離線反激式開(kāi)關(guān)IC產(chǎn)品，不僅有助于提升手機(jī)的充電效率，更可有效改善手機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。
雖尚需時(shí)日，USB-PD有望一統(tǒng)快充“江湖”
從事電源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和技術(shù)支持工作超過(guò)24年的Jason分析道，從線型降壓電源開(kāi)始，電源開(kāi)發(fā)在摸索中前進(jìn)，體積越做越小，充電方式也迎來(lái)了新的變革，現(xiàn)在的趨勢(shì)是快速充電。以前的充電器只提供一個(gè)固定的輸出電壓（5V），電源提供的輸出功率取決于輸出電流的大小，輸出電流越大則提供給電池端的功率更大，從而提高充電效率減小充電時(shí)間。但電流不能無(wú)限制的增加，因在輸出電纜的功耗隨電流的增大會(huì)相應(yīng)的增加。因而快速充電應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。其實(shí)現(xiàn)方法是手機(jī)跟充電器進(jìn)行雙向通訊，電源會(huì)根據(jù)負(fù)載端發(fā)出的指令做出反應(yīng)，改變其輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)減小功率損耗、增大充電功率、減小充電時(shí)間的目的，從而實(shí)現(xiàn)快速充電。
實(shí)現(xiàn)快充的前提是實(shí)現(xiàn)充電器端和手機(jī)端進(jìn)行通訊，如此便涉及到通訊協(xié)議的問(wèn)題。協(xié)議不同接口會(huì)有所差異，針對(duì)不同的協(xié)議接口，PI有不同的解決方法，在USB電纜中，指令通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸，數(shù)據(jù)線根據(jù)不同的通訊協(xié)議要求，通過(guò)D+、D-傳送指令信號(hào)，這種方式最早應(yīng)用于高通公司的QC2.0協(xié)議，目前已經(jīng)進(jìn)展至QC3.0版本，進(jìn)一步對(duì)快充性能進(jìn)行了優(yōu)化。而即將興起的USB-PD協(xié)議，則可以完全實(shí)現(xiàn)雙向通訊，且其傳輸功率可以進(jìn)一步增加，應(yīng)用前景將更加廣闊。相信在很多充電應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)被廣泛采用。
Jason認(rèn)為，現(xiàn)在的快充通信協(xié)議市場(chǎng)呈現(xiàn)諸侯割據(jù)、混戰(zhàn)的形勢(shì)，還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)USB-PD協(xié)議將被引入，作為一個(gè)相對(duì)更完善的協(xié)議，將對(duì)國(guó)家快充標(biāo)準(zhǔn)的制定起到推波助瀾的作用。
從提高電壓到恒功率，看PI如何不斷優(yōu)化快充方案
提高充電速度的方法有兩個(gè)大方向，一是提高電壓，二是提高電流。Jason說(shuō)：“對(duì)于電流增加的方案，其連接器及電纜都需要特別的定制，因而其兼容性及成本都有一定的局限性。而提高電壓的方法可以保證輸出功率增加的同時(shí)，電源輸出電纜上的功耗不會(huì)顯著增加，如果電壓的提高能夠以相對(duì)較小的檔位改變（比如200毫伏/檔），則可以改善手機(jī)內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器的功耗，從而降低手機(jī)充電過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題。針對(duì)此方式，PI推出的具有恒功率輸出特性的IC，以滿足快速充電應(yīng)用中輸出電壓實(shí)現(xiàn)漸變特性的要求。”
PI一直致力于追求高功率密度解決方案，減少元件數(shù)目，提高效率。因目前的很多應(yīng)用都希望在使用現(xiàn)有外殼的情況下提供更高的快充輸出所要求的功率。在以前的輸出電壓固定的設(shè)計(jì)當(dāng)中，優(yōu)化效率相對(duì)來(lái)講比較容易。而快速充電的輸出電壓是變化的，因而要考慮使用單一變壓器實(shí)現(xiàn)不同輸出電壓情況下的效率問(wèn)題。快充應(yīng)用中變壓器設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合考量對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)將是個(gè)挑戰(zhàn)。。另外，隨著功率增加，外殼較小，如果電源轉(zhuǎn)換效率不高，充電器發(fā)熱嚴(yán)重的話，相應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的可靠性也是個(gè)考驗(yàn)。因此，方案中完善的保護(hù)措施也是必需的。否則，要么造成無(wú)法充電，要么損壞后端的手機(jī)電路。
不管提高電流還是電壓，最終目的都是提高輸出功率，PI全新產(chǎn)品InnoSwitch-CP系列實(shí)現(xiàn)18w恒功率輸出，降低線路上的損耗，改善手機(jī)發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)真正快速充電。
Jason舉例說(shuō)，最新推出的InnoSwitch-CP的恒功率輸出可為高通QC3.0應(yīng)用提供最佳的充電性能。QC3.0協(xié)議充電器的輸出電壓不像2.0版本那樣只提供5V、9V、12V三個(gè)臺(tái)階的輸出電壓，在6V-12V期間其輸出電壓是逐漸變化的。手機(jī)電池在充電過(guò)程中其充電電流是由手機(jī)內(nèi)部的充電管理電路決定的。實(shí)際電池兩端的充電電壓取決于內(nèi)部的DC/DC轉(zhuǎn)換電路。DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸入即為外部連接的快充充電器的輸出。如果外部供給轉(zhuǎn)換電路的電壓比較高，則DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功耗就會(huì)比較大，從而帶來(lái)手機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。在舊有的QC2.0版本充電協(xié)議下，快充時(shí)只有兩檔較高的輸出電壓（9V或12V），因而充電時(shí)在電池兩端電壓相對(duì)比較固定的情況下，DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸入輸出的壓差比較大，因而功耗比較嚴(yán)重。而對(duì)于3.0版本的充電協(xié)議，因其輸出電壓是漸變的，DC/DC轉(zhuǎn)換器兩端的壓差可以根據(jù)電池兩端電壓實(shí)現(xiàn)精確控制，因而可以大大降低DC/DC轉(zhuǎn)換電路的損耗。另外，DC/DC轉(zhuǎn)換電源本身的轉(zhuǎn)換效率也與其輸入電壓的高低有關(guān)，其輸入輸出兩端的壓差越小，實(shí)際工作時(shí)其占空比也越大，其自身的轉(zhuǎn)換效率也更高。綜上所述，InnoSwitch-CP的恒功率輸出特性（輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)漸變）尤其適合于3.0版本的快充設(shè)計(jì)。可以大大改善手機(jī)內(nèi)部充電發(fā)熱問(wèn)題。
再者，從充電效率方面來(lái)看也有所差異。比如，對(duì)于舊有的2.0版本方案，當(dāng)手機(jī)內(nèi)部使用9V輸入的DC/DC轉(zhuǎn)換電路時(shí)，在電池電壓比較低的情況下，很大一部分功率損耗于DC/DC變換電路，因而實(shí)際電池對(duì)功率的應(yīng)用并未實(shí)現(xiàn)最大化。如上圖所示其電源輸出功率最大只能至16W。而對(duì)于3.0協(xié)議的方案，因其輸出電壓可連續(xù)變化，電源可以始終在輸出電壓介于6V至12V期間時(shí)保證最大18W的輸出功率能力。InnoSwitch-CP的特性可以保證輸出電壓從6V開(kāi)始以漸變的方式逐漸增加至12V輸出，同時(shí)維持連續(xù)的18W輸出功率能力。
實(shí)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)之間的控制，安規(guī)級(jí)新方案確保快充安全性
此次最新發(fā)布的InnoSwitch-CP采用Fluxlink技術(shù)來(lái)精確控制電源輸出特性，是典型的次級(jí)側(cè)控制方式的電源方案。IC內(nèi)部初次級(jí)側(cè)各有一個(gè)控制器，初級(jí)側(cè)還集成了一個(gè)功率MOSFET，，次級(jí)側(cè)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果將信息反饋至初級(jí)，進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)更精確的輸出電壓和電流的控制。此外InnoSwitch-CP配置了次級(jí)側(cè)的同步整流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以大大提升電源效率，改善充電器溫升。采用次級(jí)側(cè)控制器同時(shí)控制初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)，可以防止某些情況下可能出現(xiàn)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通的現(xiàn)象，從而避免災(zāi)難性的故障發(fā)生。相對(duì)于其它采用兩個(gè)控制器分別控制初級(jí)和次級(jí)MOSFET的方案，InnoSwitch-CP可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的同步整流工作控制，任何情況下都不會(huì)出現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的情況，從而大大提高可靠性。
另外，InnoSwitch-CP是第一個(gè)跨接于初級(jí)和次級(jí)之間滿足安規(guī)要求的功率轉(zhuǎn)換IC解決方案。
另外，InnoSwitch-CP是第一個(gè)跨接于初級(jí)和次級(jí)之間滿足安規(guī)要求的功率轉(zhuǎn)換IC。既然IC是處在初級(jí)和次級(jí)之間，首先被關(guān)注的是出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)不會(huì)出現(xiàn)短路或絕緣降低的情況，一旦該故障結(jié)果存在人手觸摸到就有觸電危險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PI所有的產(chǎn)品出廠之前都會(huì)進(jìn)行全面測(cè)試，通過(guò)6Kv的耐壓測(cè)試，以保證任何故障情況下IC本身的絕緣特性完好，避免觸電的危險(xiǎn)。InnoSwitch-CP是安規(guī)器件，已經(jīng)通過(guò)了UL、TUV、CQC中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心的認(rèn)證。
InnoSwitch-CP專門(mén)應(yīng)對(duì)QC3.0開(kāi)發(fā)。CP是指輸出電壓在6V-12V之間，輸出功率始終是18W,由于是次級(jí)反饋電源方案，InnoSwitch-CP可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)3%的輸出穩(wěn)壓精度。而一般快充方案只能達(dá)到5%的穩(wěn)壓精度，初級(jí)側(cè)反饋方案達(dá)到3%的精度尤其困難。
精益求精是PI做產(chǎn)品的態(tài)度。InnoSwitch-CP的FluxLink技術(shù)還可優(yōu)化輸出同步整流效果，可保證在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均提供極高的效率。例如，在230 VAC輸入時(shí)空載功耗低于10 mW，而滿載效率高達(dá)90%以上。InnoSwitch-CP器件可輕松滿足全球所有能效標(biāo)準(zhǔn)。“空載功耗低到10毫瓦，直白地說(shuō)就是充電器不用每天拔下來(lái)，幾乎不會(huì)有任何電能消耗產(chǎn)生，即使采用高精度電表都無(wú)法對(duì)所消耗的功率進(jìn)行計(jì)量。”Jason表示。
“InnoSwitch-CP具有全面保護(hù)功能方面，包括輸出過(guò)壓保護(hù)、輸入過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)。充電器有問(wèn)題時(shí)內(nèi)部會(huì)發(fā)熱，如果人不在家，充電器可能會(huì)發(fā)生故障造成火災(zāi)。所以當(dāng)充電器內(nèi)部溫度到一定程度時(shí)，該過(guò)溫保護(hù)特性會(huì)動(dòng)作，停止開(kāi)關(guān)操作，進(jìn)而停止功率傳輸防止火災(zāi)等嚴(yán)重事故的發(fā)生。”Jason強(qiáng)調(diào)道。
利用InnoSwitch-CP可輕松完成快充應(yīng)用的設(shè)計(jì)，無(wú)過(guò)度設(shè)計(jì)及功率浪費(fèi)。恒功率使輸出電壓的變化針對(duì)快速充電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可降低電源成本并避免功率浪費(fèi)，可以始終為負(fù)載提供最大功率。InnoSwitch-CP通過(guò)直接監(jiān)測(cè)輸出電流及電壓實(shí)現(xiàn)精確控制，集成的同步整流驅(qū)動(dòng)可提高效率且無(wú)需額外的光耦電路，無(wú)交越導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。更有國(guó)際安規(guī)認(rèn)可的跨接于絕緣帶之間的技術(shù)提供安全高效的保障。
“目前PI提供兩種型號(hào)的InnoSwitch-CP器件。INN2214K IC提供15W輸出功率，適用于通用輸入電壓范圍的充電器和適配器應(yīng)用，而更大型號(hào)的INN2215K在同類應(yīng)用中可提供最大22 W的輸出功率。” Jason介紹說(shuō)。
本文小結(jié)
快充技術(shù)發(fā)展到今天可以說(shuō)已經(jīng)比較成熟。在電池技術(shù)無(wú)法取得突破性成果的今天，快速充電技術(shù)可以說(shuō)是最佳以及最合理的續(xù)航解決方案。PI最新解決方案InnoSwitch-CP系列恒壓/恒流離線反激式開(kāi)關(guān)IC克服多重挑戰(zhàn)，在充電效率、充電安全、減少發(fā)熱、降低功耗上都有出色的表現(xiàn)，快速充電或許從此真正開(kāi)始，2016將成為快充真正發(fā)展元年。
