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，指令通過數據線傳輸，數據線根據不同的通訊協(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、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。”Jason強調道。

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。