2016快速充電器設計趨勢及最新恒功率高效率充電方案

眾所周知，手機處理器正在以摩爾定律的速度前進著，早先的單核雙核已經(jīng)進化到了如今的八核十核。相比于飛速發(fā)展的手機硬件性能，電池技術的進步可用“龜速”來形容也不夸張，成為提升用戶體驗的瓶頸之一。如今手機廠商解決續(xù)航的辦法無外乎兩種：一是直接使用大容量電池，二是使用快速充電技術，相較于前者的“簡單粗暴”，后者的實用性顯然更高。

隨著用戶體驗正漸漸成為手機的核心競爭力，快速充電技術成為一項吸引用戶的重要指標。經(jīng)過近幾年發(fā)展，快速充電技術正逐漸成熟起來，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，處于群雄紛爭的“戰(zhàn)國時代”，提高功率密度、對不同協(xié)議的兼容、可靠的控制機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ICT媒體論壇和產(chǎn)業(yè)和技術展望研討會上，致力于高能效電源轉換的高壓集成電路業(yè)界的領導者Power Integrations（以下簡稱PI）公司的高級應用工程師、實驗室經(jīng)理Jason Yan對在場的媒體和工程開發(fā)者深入闡述了快充技術的發(fā)展趨勢以及借助PI最新方案的應對之道，并正式宣布推出最新一代恒功率、高效率InnoSwitch-CP系列恒壓/恒流離線反激式開關IC產(chǎn)品，不僅有助于提升手機的充電效率，更可有效改善手機發(fā)熱問題。

雖尚需時日，USB-PD有望一統(tǒng)快充“江湖”

從事電源設計開發(fā)和技術支持工作超過24年的Jason分析道，從線型降壓電源開始，電源開發(fā)在摸索中前進，體積越做越小，充電方式也迎來了新的變革，現(xiàn)在的趨勢是快速充電。以前的充電器只提供一個固定的輸出電壓（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間。但電流不能無限制的增加，因在輸出電纜的功耗隨電流的增大會相應的增加。因而快速充電應用應運而生。其實現(xiàn)方法是手機跟充電器進行雙向通訊，電源會根據(jù)負載端發(fā)出的指令做出反應，改變其輸出電壓和電流，實現(xiàn)減小功率損耗、增大充電功率、減小充電時間的目的，從而實現(xiàn)快速充電。

實現(xiàn)快充的前提是實現(xiàn)充電器端和手機端進行通訊，如此便涉及到通訊協(xié)議的問題。協(xié)議不同接口會有所差異，針對不同的協(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D+、D-傳送指令信號，這種方式最早應用于高通公司的QC2.0協(xié)議，目前已經(jīng)進展至QC3.0版本，進一步對快充性能進行了優(yōu)化。而即將興起的USB-PD協(xié)議，則可以完全實現(xiàn)雙向通訊，且其傳輸功率可以進一步增加，應用前景將更加廣闊。相信在很多充電應用領域會被廣泛采用。

Jason認為，現(xiàn)在的快充通信協(xié)議市場呈現(xiàn)諸侯割據(jù)、混戰(zhàn)的形勢，還沒有統(tǒng)一標準。未來USB-PD協(xié)議將被引入，作為一個相對更完善的協(xié)議，將對國家快充標準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大方向，一是提高電壓，二是提高電流。Jason說：“對于電流增加的方案，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，電源輸出電纜上的功耗不會顯著增加，如果電壓的提高能夠以相對較小的檔位改變（比如200毫伏/檔），則可以改善手機內(nèi)部DC/DC轉換器的功耗，從而降低手機充電過程中的發(fā)熱問題。針對此方式，PI推出的具有恒功率輸出特性的IC，以滿足快速充電應用中輸出電壓實現(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計當中，優(yōu)化效率相對來講比較容易。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現(xiàn)不同輸出電壓情況下的效率問題?？斐鋺弥凶儔浩髟O計時進行綜合考量對于設計工程師來說將是個挑戰(zhàn)。。另外，隨著功率增加，外殼較小，如果電源轉換效率不高，充電器發(fā)熱嚴重的話，相應對產(chǎn)品的可靠性也是個考驗。因此，方案中完善的保護措施也是必需的。否則，要么造成無法充電，要么損壞后端的手機電路。

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系列實現(xiàn)18w恒功率輸出，降低線路上的損耗，改善手機發(fā)熱，實現(xiàn)真正快速充電。

Jason舉例說，最新推出的InnoSwitch-CP的恒功率輸出可為高通QC3.0應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三個臺階的輸出電壓，在6V-12V期間其輸出電壓是逐漸變化的。手機電池在充電過程中其充電電流是由手機內(nèi)部的充電管理電路決定的。實際電池兩端的充電電壓取決于內(nèi)部的DC/DC轉換電路。DC/DC轉換電路的輸入即為外部連接的快充充電器的輸出。如果外部供給轉換電路的電壓比較高，則DC/DC轉換電路的功耗就會比較大，從而帶來手機發(fā)熱問題。在舊有的QC2.0版本充電協(xié)議下，快充時只有兩檔較高的輸出電壓（9V或12V），因而充電時在電池兩端電壓相對比較固定的情況下，DC/DC轉換電路輸入輸出的壓差比較大，因而功耗比較嚴重。而對于3.0版本的充電協(xié)議，因其輸出電壓是漸變的，DC/DC轉換器兩端的壓差可以根據(jù)電池兩端電壓實現(xiàn)精確控制，因而可以大大降低DC/DC轉換電路的損耗。另外，DC/DC轉換電源本身的轉換效率也與其輸入電壓的高低有關，其輸入輸出兩端的壓差越小，實際工作時其占空比也越大，其自身的轉換效率也更高。綜上所述，InnoSwitch-CP的恒功率輸出特性（輸出電壓可以實現(xiàn)漸變）尤其適合于3.0版本的快充設計?？梢源蟠蟾纳剖謾C內(nèi)部充電發(fā)熱問題。

再者，從充電效率方面來看也有所差異。比如，對于舊有的2.0版本方案，當手機內(nèi)部使用9V輸入的DC/DC轉換電路時，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，因而實際電池對功率的應用并未實現(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開始以漸變的方式逐漸增加至12V輸出，同時維持連續(xù)的18W輸出功率能力。

實現(xiàn)初級和次級之間的控制，安規(guī)級新方案確?？斐浒踩?/span>

此次最新發(fā)布的InnoSwitch-CP采用Fluxlink技術來精確控制電源輸出特性，是典型的次級側控制方式的電源方案。IC內(nèi)部初次級側各有一個控制器，初級側還集成了一個功率MOSFET，，次級側控制器實現(xiàn)對輸出電壓和電流的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果將信息反饋至初級，進行相應的開關控制，從而實現(xiàn)更精確的輸出電壓和電流的控制。此外InnoSwitch-CP配置了次級側的同步整流驅動技術，可以大大提升電源效率，改善充電器溫升。采用次級側控制器同時控制初級和次級兩個開關管的開關，可以防止某些情況下可能出現(xiàn)的兩個開關管同時開通的現(xiàn)象，從而避免災難性的故障發(fā)生。相對于其它采用兩個控制器分別控制初級和次級MOSFET的方案，InnoSwitch-CP可以實現(xiàn)更加可靠的同步整流工作控制，任何情況下都不會出現(xiàn)初級和次級兩個開關同時導通的情況，從而大大提高可靠性。

另外，InnoSwitch-CP是第一個跨接于初級和次級之間滿足安規(guī)要求的功率轉換IC解決方案。

另外，InnoSwitch-CP是第一個跨接于初級和次級之間滿足安規(guī)要求的功率轉換IC。既然IC是處在初級和次級之間，首先被關注的是出現(xiàn)故障時會不會出現(xiàn)短路或絕緣降低的情況，一旦該故障結果存在人手觸摸到就有觸電危險。為了解決這個問題，PI所有的產(chǎn)品出廠之前都會進行全面測試，通過6Kv的耐壓測試，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。InnoSwitch-CP是安規(guī)器件，已經(jīng)通過了UL、TUV、CQC中國質量認證中心的認證。

InnoSwitch-CP專門應對QC3.0開發(fā)。CP是指輸出電壓在6V-12V之間，輸出功率始終是18W,由于是次級反饋電源方案，InnoSwitch-CP可以實現(xiàn)正負3%的輸出穩(wěn)壓精度。而一般快充方案只能達到5%的穩(wěn)壓精度，初級側反饋方案達到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技術還可優(yōu)化輸出同步整流效果，可保證在整個負載范圍內(nèi)均提供極高的效率。例如，在230 VAC輸入時空載功耗低于10mW，而滿載效率高達90%以上。InnoSwitch-CP器件可輕松滿足全球所有能效標準?！?/span>空載功耗低到10毫瓦，直白地說就是充電器不用每天拔下來，幾乎不會有任何電能消耗產(chǎn)生，即使采用高精度電表都無法對所消耗的功率進行計量?！盝ason表示。

“InnoSwitch-CP具有全面保護功能方面，包括輸出過壓保護、輸入過壓保護、過熱保護。充電器有問題時內(nèi)部會發(fā)熱，如果人不在家，充電器可能會發(fā)生故障造成火災。所以當充電器內(nèi)部溫度到一定程度時，該過溫保護特性會動作，停止開關操作，進而停止功率傳輸防止火災等嚴重事故的發(fā)生?！盝ason強調(diào)道。

利用InnoSwitch-CP可輕松完成快充應用的設計，無過度設計及功率浪費。恒功率使輸出電壓的變化針對快速充電應用進行了優(yōu)化，可降低電源成本并避免功率浪費，可以始終為負載提供最大功率。InnoSwitch-CP通過直接監(jiān)測輸出電流及電壓實現(xiàn)精確控制，集成的同步整流驅動可提高效率且無需額外的光耦電路，無交越導通風險。更有國際安規(guī)認可的跨接于絕緣帶之間的技術提供安全高效的保障。

“目前PI提供兩種型號的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用，而更大型號的INN2215K在同類應用中可提供最大22 W的輸出功率?！?Jason介紹說。

本文小結

快充技術發(fā)展到今天可以說已經(jīng)比較成熟。在電池技術無法取得突破性成果的今天，快速充電技術可以說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/恒流離線反激式開關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始，2016將成為快充真正發(fā)展元年。