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(shù)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(shù),，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(shù)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(shù)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(shù)展望研討會上，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（以下簡稱PI）公司的高級應(yīng)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(shù)的發(fā)展趨勢以及借助PI最新方案的應(yīng)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(guān)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(shè)計開發(fā)和技術(shù)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(yīng)的增加。因而快速充電應(yīng)用應(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)用前景將更加廣闊,。相信在很多充電應(yīng)用領(lǐng)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(zhuǎn)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(yīng)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(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?yīng)用中變壓器設(shè)計時進行綜合考量對于設(shè)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(zhuǎn)換效率不高,，充電器發(fā)熱嚴重的話,，相應(yīng)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(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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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,，實際工作時其占空比也越大,，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（輸出電壓可以實現(xiàn)漸變）尤其適合于3.0版本的快充設(shè)計,。可以大大改善手機內(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(zhuǎn)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(yīng)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?/strong>
此次最新發(fā)布的InnoSwitch-CP采用Fluxlink技術(shù)來精確控制電源輸出特性,，是典型的次級側(cè)控制方式的電源方案。IC內(nèi)部初次級側(cè)各有一個控制器,，初級側(cè)還集成了一個功率MOSFET,，，次級側(cè)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(jié)果將信息反饋至初級,，進行相應(yīng)的開關(guān)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(cè)的同步整流驅(qū)動技術(shù),，可以大大提升電源效率，改善充電器溫升,。采用次級側(cè)控制器同時控制初級和次級兩個開關(guān)管的開關(guān)，可以防止某些情況下可能出現(xiàn)的兩個開關(guān)管同時開通的現(xiàn)象,，從而避免災(zāi)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(guān)同時導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換IC,。既然IC是處在初級和次級之間,，首先被關(guān)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(jié)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(zhì)量認證中心的認證。
InnoSwitch-CP專門應(yīng)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(cè)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(shù)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10 mW,，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,?！翱蛰d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(zāi)。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(guān)操作,，進而停止功率傳輸防止火災(zāi)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(yīng)用的設(shè)計，無過度設(shè)計及功率浪費,。恒功率使輸出電壓的變化針對快速充電應(yīng)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(qū)動可提高效率且無需額外的光耦電路，無交越導(dǎo)通風(fēng)險,。更有國際安規(guī)認可的跨接于絕緣帶之間的技術(shù)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(yīng)用,，而更大型號的INN2215K在同類應(yīng)用中可提供最大22 W的輸出功率?！?nbsp;Jason介紹說,。
本文小結(jié)
快充技術(shù)發(fā)展到今天可以說已經(jīng)比較成熟。在電池技術(shù)無法取得突破性成果的今天,，快速充電技術(shù)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(guān)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。