新一代InnoSwitch在快速充電器方面的應用

　　第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產業(yè)和技術展望研討會

　　時間：2016.01.14 下午

　　地點：深圳南山軟件創(chuàng)業(yè)基地 IC咖啡

　　演講主題：新一代InnoSwitch在快速充電器方面的應用

　　演講人：閻金光 (Jason), Power Integration高級應用工程師、實驗室經理

　　主持人：快充隨著魅8的出現(xiàn)越來越成為熱點，快速重點器的設計有哪些挑戰(zhàn)?我們今天非常榮幸的邀請到了Power Integration公司從事了24年技術開發(fā)和技術經驗的 Jason。今天PI的專家除了分享快充方面的設計挑戰(zhàn)，也會介紹新產品的技術特點和優(yōu)勢，可以幫助智能移動設備制造商縮短產品相應的開發(fā)時間，以及推出性能更高的快充產品，有請Jason做詳細的介紹。

　　Jason：我今天主要講到充電器應用市場的趨勢和一些新的產品。首先對Power Integration做一個簡介，另外講一些行業(yè)的趨勢，涉及到智能快速充電的解決方案，第三方面是我們最新推出了InnoSwitch產品，包括InnoSwitch -CP，也會介紹一下它的市場應用。

　　PI公司是美國的半導體上市公司，成立于1988年，主要致力于高壓控制線路的集成芯片供應商。我們出的產品都是高效節(jié)能的，用在低碳環(huán)保方面的使用，包括我們最大的特色，質量是非常好的產品，我們是這樣一家公司，交付能力也是沒有任何的問題。我們在所有的線上、線下都提供了完善的設計工具，我們給很多電源工程師做了實驗。開關本來是相對比較新興的技術，那時候還沒有經驗，所以現(xiàn)在把我們的經驗給大家做參考。另外，我們是一家財務狀況良好的上市公司。

　　我們的產品主要涵蓋三個方面：第一，AC-DC的快速充電器，電源應用的一些領域，包括每個人手機用的充電器，還有家里的適配器，都是有電源供電的。第二，我們是LED照明，這也是比較火的行業(yè)，中國很多都在做大功率的LED照明，包括家里也有使用，其實里面也是一個開關電源，是對LED的控制，我們的產品也滿足LED市場。最后一，我們公司曾經收購了一家公司，他們有高可靠性的ICPC，對高鐵、風能、電能都有涉獵到。

　　講一下電源轉換的行業(yè)趨勢。我本身在中國做開發(fā)電源，從線型降壓電源開始一直到現(xiàn)在，體積越來越小?，F(xiàn)在最新的趨勢是做快速充電。大家都有在使用手機，屏幕做的越來越大，內部電池的容量也做的越來越大，用蘋果手機，我們回家要做的第一件事就是充上電，方便第二天使用。我們看到右下角手機常用的充電器(見PPT)，中間有一個電纜連接到電源和負載之間，也可以是一個平板。充電器在以前的充電過程當中只是人為的提供一個電壓、電流就好了，你提供多少功率我實現(xiàn)多少消耗，然后對電池充電。現(xiàn)在隨著快速充電的要求，現(xiàn)在要做到一個目的，實現(xiàn)手機跟充電器的雙向通訊，這種通訊的目的是為了能夠盡快增加電池充電的效果。我們看到電源必須對來的指令有一個反應，改變它的輸出電壓、輸出電流。這種電壓、電流的改變能夠對手機電池實現(xiàn)快速充電。

　　我們以前做的，比如說手機，以前用的最多的是5伏1安，現(xiàn)在是5伏2安，想再快可以到5伏10安，但是帶來電壓的影響，輸出電纜線有很強的影響，你的電壓越大，功率損耗越大，到一定程度電壓非常低了，再低電池就無法充電了。在電池使用過程中線的損耗非常大。隨著業(yè)界的發(fā)展，我們提出來了，如何增大輸出功率?能不能把輸出電壓抬高?做一個比方，5伏2安是10瓦，把電壓抬高了，電流維持原來的電流，功率就加大了。但是電流沒有增大很多的情況下，在輸出電纜的損耗就沒有增加太多，這最初快充的想法，就是把功率抬到最大實現(xiàn)充電。這樣就實現(xiàn)充電速度更快，我們損耗上也有降低。在市場上大家已經看到了，我們有不同的充電器，今天我們也給大家送出小的快速充電器，實際上是改變輸出電壓的，輸出電壓抬高了以后功率就加大了。

　　要實現(xiàn)快充，要實現(xiàn)充電器端和手機進行通訊。這就涉及到通訊協(xié)議的問題，什么樣的協(xié)議來溝通這樣的信息?這是交流變直流的充電器電源(見PPT)，這個電源輸出，我們在舊有的的充電器當中，以前的舊充電器電壓永遠是5伏，經過這個負載線、USB線連接到手機當中去。這邊有不同的連接接口，所以我們有不同的方法，在USB的電纜當中，我們的指令是通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?。這根數(shù)據(jù)線有一個通訊協(xié)議，通過D+、D-的方式傳送信號，這種方式我們最早見到的是QC2.0，還可以從9伏跳到后面這種，還有可能跳到20伏?，F(xiàn)在說一下QC3.0，QC2.0輸出的電壓是進行不同的輸出漸變的充電過程。

　　D+、D-之外還有V+、V-，還有輸出電壓和電流的變化，我們可以發(fā)出指令，我們電流可以發(fā)幾個脈沖，我們可以看到輸出電壓是抬高還是降低，這也可以實現(xiàn)輸出電壓的控制，只不過這個控制不是2.0的D+、D-，而是母線的控制，包括之前我們看到PD+(音)的協(xié)議，現(xiàn)在看來這種協(xié)議不能再擴散了。現(xiàn)在協(xié)議市場，各家都在做自己的協(xié)議，三星有自己的，華為也在出自己的通訊標準，現(xiàn)在還沒有完全統(tǒng)一下來，因此比較混亂。最后PD協(xié)議將引入，因為這是相對更完善的協(xié)議，但是有一些廠家為了保護自己的知識產權可能會開自己的通訊協(xié)議。

　　蘋果公司的接頭是lightning的接頭，輸出電壓比較大，5伏2.4A也是十幾瓦的功率，他們也在研發(fā)自己的快充方案。

　　國內某家公司，他們自己定制的是增加輸出電流方式，還是5伏輸出，但是達到25瓦，這是比較大的充電功率。這種方式帶來一些問題，接頭要特殊定制，包括線質量非常好，不然損耗非常大，也會發(fā)熱，手機端的接頭都是特別定制的，如果跟行業(yè)不太融合，一個是成本比較高，也是比較獨特的。前一段時間我們在國內開關于快充的會議，這家公司也在主導快充國家標準，現(xiàn)在還是戰(zhàn)國時代，大家各做自己的協(xié)議。

　　前面也有講到Type C，Type C是將來的發(fā)展方向，它充電可以實現(xiàn)10瓦到100瓦功率的傳輸。實際上Type C也可以實現(xiàn)連接，它的電纜目前比較貴，市場成熟起來還需要一定的階段。

　　剛才有提到QC2.0，現(xiàn)在最新出的高峰協(xié)議叫QC3.0。左邊的是QC2.0的充電方式(見PPT)這樣來看只有三檔電壓可以跳躍?，F(xiàn)在最新出的這種叫做QC3.0，這并不是一個5、9、12三個臺階的電壓，它是可以連續(xù)變化的電壓，從6V-12V是連續(xù)變化的電壓。QC2.0的時候，手機充電真正變化并不是利用充電器的橫流進行控制，手機內部有DC電源，把你輸入的電壓變成可充電電壓，隨著慢慢充飽，數(shù)字電壓慢慢升高，最后會百分之百的充滿。我們內部的DC/DC的效率跟手機發(fā)熱是相關的，如果效率不高，充電的時候你一摸手機溫度是比較高的。以9V和12V輸出的電壓可能效率不高，隨著能量慢慢充飽，電壓慢慢往上走，這樣DC/DC永遠維持比較小的壓差，這個對手機發(fā)熱有很大的幫助作用。在無線充電方案當中，如果DC/DC用這種方案來做，可以用3.0的方式。相對QC2.0來說，QC3.0會使手機充電的時候發(fā)熱降低。我們從6V可以兩個檔位的逐檔跳到12V，我們的InnoSwitch可以滿足這樣的特性要求。

　　我們再談功率方面，如果是QC2.0，輸出充電的時候可以看到12V功率比較大，12V1.5可以充到18瓦，隨著電壓慢慢走，功率不到18瓦。右邊的QC3.0是連續(xù)變化的，從這條線走到這邊，電壓下降的情況電流在增大，電壓改變的時候這個電流在減少，所以我們始終保證輸出電流18瓦，相對QC2.0，QC3.0可以輸出更大的功率。所以從快充效果來看，用3.0比2.0充的速度更快。

　　快速充電器面臨一些重大的挑戰(zhàn)，以前沒有快充方案，大家做的是5伏1安或者5伏2安，我們需要做功率密度高的，現(xiàn)有的外觀當中，把功率加大，這些元器件能不能放進去就是很大的挑戰(zhàn)，就要求所有元件數(shù)目少，效率做得高。做快充的時候輸出電壓是變化的，我們以前做開發(fā)電源的時候，當電壓固定的時候可以非常容易的優(yōu)化效率，現(xiàn)在不同工作階段電壓從高到低有一些變化，這時候電壓效率表現(xiàn)不一樣，意味著電壓也不一樣。我們做變壓器設計的時候要針對不同的電壓進行設計，包括要考慮到圈數(shù)和桿量(因)等的影響，這就是技術方面要考慮的。包括快充的時候，市場上還有2.0的產品，你做3.0的時候要考慮到2.0的情況。

　　最后一方面是可控的控制機制，從5伏電壓慢慢增加的時候，如果電壓變化比較劇烈，可能后面的電路會被燒掉，如果有過壓保護動作的話可以，如果過壓保護不當?shù)脑挘鸵茨惚旧碛袥]有導流的情況，比如說從6伏升到6.2伏是慢慢上升還是一下上去6.2的。

　　InnoSwitch有不同的系列，這個系列會講到InnoSwitch-CP，始終都是保證18瓦輸出端的高負載供電。右下角是原理圖(見PPT)，這個是典型的初次級電源，如果防止不要手指觸摸碰到，所以是絕緣的，在以前舊有的電源當中有初次絕緣的，人手觸到次級這一段不會有觸電。我們現(xiàn)在是初級和次級之間跨階的。次級側有兩個控制器，初級的是一個開關對一個開關操作，次級的是對輸出電壓和電流都進行監(jiān)測，這種監(jiān)測的目的是可以進行更精確的輸出電壓和電流的控制。這就是初次級的情況。我們的InnoSwitch是在初級和次級之間，還有一個同步診流技術，如果你對開放電源有認識，最早我們是用二極管診核，這里面有一些問題，某些情況下這兩個如果同時開通，就會造成閘機的危險，如果提高到單片，我們可以精準的控制，任何情況下都不會出現(xiàn)初級和次級兩個開關同時開關的情況，這是InnoSwitch第一個實現(xiàn)了初級和次級之間的控制。初級跟次級的信息交換是通過PluxLink實現(xiàn)，我們利用這個實現(xiàn)初級和次級的交互。

　　我們之所以采用這個方式，是因為直接輸出電壓和電流可以進行精確的控制，這是初級的方式中不太存在的優(yōu)勢。

　　既然說這個IC是在初級和次級之間，首先關心的是一旦出現(xiàn)故障會不會出現(xiàn)短路，一旦短路人手觸摸到就有觸電危險。為了解決這個問題，我們所有的產品出產之前都會自動測試，都會做這種6Kv的脈壓測試，不會讓人有觸電的危險。既然它是安規(guī)器件，就要通過UL、TUV、CQC中國質量認證中心的認證。內部的質量監(jiān)控當中，我們也要保證初次級隔離，所有電源做好之后要做不同的故障測試，所有的故障測試中都可以得到安全的保障。

　　InnoSwitch-CP專門應對QC3.0開發(fā)，有兩個型號，最大輸出2.2W。如果你帶著這個充電器滿世界出差，右邊有一個輸出功率表(見PPT)。我們集成反激控制器及650V MOSFET，這邊有兩個控制器，初級的MOSFET的開關是通過次級，讓你開就開，讓你關就關，但是要避免兩個MOSFET同時開關。這是電壓的檢測，同時輸出電流的檢測，所以無論是電壓、電流都會實現(xiàn)非常精確的控制。

　　右邊是我們的IC，左邊是一個初級側，右邊是次級側，我們是比較寬的IC，是跨了初級和次級之間的IC。我們做IC封裝設計的時候充分考慮到安全要求，還有一個5000米海拔，國內有一些海拔比較高的地區(qū)一要用到，所以在IC本體方面做大概9毫米的發(fā)電間距(音)。

　　InnoSwitch-CP可以為QC3.0甚至USB-PD提供最佳性能。我們知道CP是指12V-6V區(qū)間，始終是18W的線(見PPT)。因為做精確的次級輸出，所以我們要任何情況做到正負3%的穩(wěn)壓精度。一般做到5%，初級的做到3%的精度非常難。在整個負載方面可以實現(xiàn)高于90%的效率。我們也知道功率要做高，電源做到現(xiàn)有外殼當中把功率做大，這個散熱有問題，怎么辦?要把效率做高?？蛰d功耗可以小于10毫瓦，很多人家里充電器不會每天拔下來，但是只要充電器插在上面就有功率消耗，按照國際的標準要小于0.1瓦，所以我們可以把空載功耗小于10毫瓦，你把充電器插在墻上可以做到不會有任何電的消耗。全面保護功能方面，包括輸出過壓保護、輸入過壓保護，還有過熱保護，充電器有問題的時候內部會發(fā)熱，如果人不在家，這個充電器可能會有故障造成火災。所以溫度到一定程度的時候，這個功率就停止輸送了，停止開關操作了。

　　InnoSwitch-CP的恒功率輸出可以為QC3.0應用提供最佳的充電性能。你做4安培、5安培這些，會有充電器的性能測試。如果采用QC2.0的話，輸出電壓有三個檔，12V、5V、9V，12V可能是1安培或者1.2安培，所以電壓盡管抬高了，但只是減低了輸出電纜的損耗，功率并沒有增加太多，這是QC2.0帶來的局限性。雖然輸入電壓改變，本身的效率也在變化，所以這并不是最佳的解決方案。如果我們采用了這種QC3.0的話，是這樣一條斜線下來的，我們可以實現(xiàn)最佳的功率控制方式。在舊有方案當中這一塊功率永遠用不到的，所以過剩，原因是什么?我們保證這兩個點的功率。如果這個功率比較大，電源成本會上升的。另外，我們這個可以兼容QC2.01協(xié)議。

　　輕松滿足效率標準，有不同能效標準，效率方面有平均效率，從10%-100%的負載，包括10%負載的時候也有效率要求，我們可以采用不同的效率，輕松的滿足效率標準要求。

　　這是具體的20WQC3.0的快速手機充電器的原理圖(見PPT)，這里展示不同的性能表現(xiàn)。我在前面都有涉及到，看到整個完整的原理圖當中，前面是濾波，后面是完整的InnoSwitch，后面是變壓器了，這邊實現(xiàn)了快速控制的IC，所以它有全套的快速充電的解決方案。

　　CHY103完全支持QC3.0的協(xié)議，它是物理型接口的IC，同時可以兼容QC2.0、QC3.0。靜態(tài)功耗可以做到0.75毫瓦，整個充電器空載功耗也非常低的，可以做到10豪瓦。

　　它有一些保護功能。右邊這張圖(見PPT)大家可以看到，如果電源可靠性不高，會有這種燒壞的現(xiàn)象，如果這樣的充電器放在家里會有很大的危險。我們這個包括過壓保護、過熱保護，遠程光照也有保護，通過手機端發(fā)信號發(fā)給充電器，充電器會關閉操作。

　　實現(xiàn)InnoSwitch-CP可以實現(xiàn)ChiPhy的輕松設計。對整個元件公差不敏感，我們的變壓器會實現(xiàn)非常優(yōu)化的選擇。我們講到InnoSwitch-CP是恒功率，恒功率輸出可以消除成本和對整個功率的浪費。直接控制輸出電壓電流，可以實現(xiàn)對輸出精準的控制，通過這個方式改善效率，降低沖電氣的風險。最后，我們是初級和次級之間的連接。

　　InnoSwitch這個產品系列大概可以做到23W、24W左右。還有其他的產品，這個是用在充電器的，這個是用在功率更高的35W左右的充電器(見PPT)。