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。經過近幾年發展，快速充電技術正逐漸成熟起來，包括高通、聯發科、華為、Oppo等公司推出了各種快速充電協議，處于群雄紛爭的“戰國時代”，提高功率密度、對不同協議的兼容、可靠的控制機制等成為快速充電急需解決的挑戰和難題。

    在近日由EEVIA主辦的“2016中國ICT媒體論壇和產業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者深入闡述了快充技術的發展趨勢以及借助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熱問題。

    雖尚需時日，USB-PD有望一統快充“江湖”

    從事電源設計開發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。其實現方法是手機跟充電器進行雙向通訊，電源會根據負載端發出的指令做出反應，改變其輸出電壓和電流，實現減小功率損耗、增大充電功率、減小充電時間的目的，從而實現快速充電。

    實現快充的前提是實現充電器端和手機端進行通訊，如此便涉及到通訊協議的問題。協議不同接口會有所差異，針對不同的協議接口，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協議，目前已經進展至QC3.0版本，進一步對快充性能進行了優化。而即將興起的USB-PD協議，則可以完全實現雙向通訊，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，現在的快充通信協議市場呈現諸侯割據、混戰的形勢，還沒有統一標準。未來USB-PD協議將被引入，作為一個相對更完善的協議，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不同輸出電壓情況下的效率問題。快充應用中變壓器設計時進行綜合考量對于設計工程師來說將是個挑戰。。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18w恒功率輸出，降低線路上的損耗，改善手機發熱，實現真正快速充電。

    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，從而帶來手機發熱問題。在舊有的QC2.0版本充電協議下，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協議的方案，因其輸出電壓可連續變化，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，同時維持連續的18W輸出功率能力。