隨著用戶(hù)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(hù)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(chēng)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。

 

 

 

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。

 

 

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(mǎn)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?？斐鋺?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)?？梢源蟠蟾纳剖謾C(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。