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2016快速充电器设计趋势及最新恒功率高效率充电方案

liang10 2016-01-22 15:12
快速充电器 恒功率高效率充电方案 阅读(2010)
导语随着用户体验正渐渐成为手机的核心竞争力，快速充电技术成为一项吸引用户的重要指标。经过近几年发展，快速充电技术正逐渐成熟起来，包括高通、联发科、华为、Oppo等公司推出了各种快速充电协议，处于群雄纷争的“战国时代”，提高功率密度、对不同协议的兼容、可靠的控制机制等成为快速充电急需解决的挑战和难题。
　　众所周知，手机处理器正在以摩尔定律的速度前进着，早先的单核双核已经进化到了如今的八核十核。相比于飞速发展的手机硬件性能，电池技术的进步可用“龟速”来形容也不夸张，成为提升用户体验的瓶颈之一。如今手机厂商解决续航的办法无外乎两种：一是直接使用大容量电池，二是使用快速充电技术，相较于前者的“简单粗暴”，后者的实用性显然更高。

随着用户体验正渐渐成为手机的核心竞争力，快速充电技术成为一项吸引用户的重要指标。经过近几年发展，快速充电技术正逐渐成熟起来，包括高通、联发科、华为、Oppo等公司推出了各种快速充电协议，处于群雄纷争的“战国时代”，提高功率密度、对不同协议的兼容、可靠的控制机制等成为快速充电急需解决的挑战和难题。
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在近日由EEVIA主办的“2016中国ICT媒体论坛和产业和技术展望研讨会上，致力于高能效电源转换的高压集成电路业界的领导者PowerIntegrations（以下简称PI）公司的高级应用工程师、实验室经理JasonYan对在场的媒体和工程开发者深入阐述了快充技术的发展趋势以及借助PI最新方案的应对之道，并正式宣布推出最新一代恒功率、高效率InnoSwitch-CP系列恒压/恒流离线反激式开关IC产品，不仅有助于提升手机的充电效率，更可有效改善手机发热问题。
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虽尚需时日，USB-PD有望一统快充“江湖”

从事电源设计开发和技术支持工作超过24年的Jason分析道，从线型降压电源开始，电源开发在摸索中前进，体积越做越小，充电方式也迎来了新的变革，现在的趋势是快速充电。以前的充电器只提供一个固定的输出电压（5V），电源提供的输出功率取决于输出电流的大小，输出电流越大则提供给电池端的功率更大，从而提高充电效率减小充电时间。但电流不能无限制的增加，因在输出电缆的功耗随电流的增大会相应的增加。因而快速充电应用应运而生。其实现方法是手机跟充电器进行双向通讯，电源会根据负载端发出的指令做出反应，改变其输出电压和电流，实现减小功率损耗、增大充电功率、减小充电时间的目的，从而实现快速充电。

实现快充的前提是实现充电器端和手机端进行通讯，如此便涉及到通讯协议的问题。协议不同接口会有所差异，针对不同的协议接口，PI有不同的解决方法，在USB电缆中，指令通过数据线传输，数据线根据不同的通讯协议要求，通过D+、D-传送指令信号，这种方式最早应用于高通公司的QC2.0协议，目前已经进展至QC3.0版本，进一步对快充性能进行了优化。而即将兴起的USB-PD协议，则可以完全实现双向通讯，且其传输功率可以进一步增加，应用前景将更加广阔。相信在很多充电应用领域会被广泛采用。
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Jason认为，现在的快充通信协议市场呈现诸侯割据、混战的形势，还没有统一标准。未来USB-PD协议将被引入，作为一个相对更完善的协议，将对国家快充标准的制定起到推波助澜的作用。

从提高电压到恒功率，看PI如何不断优化快充方案

提高充电速度的方法有两个大方向，一是提高电压，二是提高电流。Jason说：“对于电流增加的方案，其连接器及电缆都需要特别的定制，因而其兼容性及成本都有一定的局限性。而提高电压的方法可以保证输出功率增加的同时，电源输出电缆上的功耗不会显著增加，如果电压的提高能够以相对较小的档位改变（比如200毫伏/档），则可以改善手机内部DC/DC转换器的功耗，从而降低手机充电过程中的发热问题。针对此方式，PI推出的具有恒功率输出特性的IC，以满足快速充电应用中输出电压实现渐变特性的要求。”

PI一直致力于追求高功率密度解决方案，减少元件数目，提高效率。因目前的很多应用都希望在使用现有外壳的情况下提供更高的快充输出所要求的功率。在以前的输出电压固定的设计当中，优化效率相对来讲比较容易。而快速充电的输出电压是变化的，因而要考虑使用单一变压器实现不同输出电压情况下的效率问题。快充应用中变压器设计时进行综合考量对于设计工程师来说将是个挑战。。另外，随着功率增加，外壳较小，如果电源转换效率不高，充电器发热严重的话，相应对产品的可靠性也是个考验。因此，方案中完善的保护措施也是必需的。否则，要么造成无法充电，要么损坏后端的手机电路。

不管提高电流还是电压，最终目的都是提高输出功率，PI全新产品InnoSwitch-CP系列实现18w恒功率输出，降低线路上的损耗，改善手机发热，实现真正快速充电。
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Jason举例说，最新推出的InnoSwitch-CP的恒功率输出可为高通QC3.0应用提供最佳的充电性能。QC3.0协议充电器的输出电压不像2.0版本那样只提供5V、9V、12V三个台阶的输出电压，在6V-12V期间其输出电压是逐渐变化的。手机电池在充电过程中其充电电流是由手机内部的充电管理电路决定的。实际电池两端的充电电压取决于内部的DC/DC转换电路。DC/DC转换电路的输入即为外部连接的快充充电器的输出。如果外部供给转换电路的电压比较高，则DC/DC转换电路的功耗就会比较大，从而带来手机发热问题。在旧有的QC2.0版本充电协议下，快充时只有两档较高的输出电压（9V或12V），因而充电时在电池两端电压相对比较固定的情况下，DC/DC转换电路输入输出的压差比较大，因而功耗比较严重。而对于3.0版本的充电协议，因其输出电压是渐变的，DC/DC转换器两端的压差可以根据电池两端电压实现精确控制，因而可以大大降低DC/DC转换电路的损耗。另外，DC/DC转换电源本身的转换效率也与其输入电压的高低有关，其输入输出两端的压差越小，实际工作时其占空比也越大，其自身的转换效率也更高。综上所述，InnoSwitch-CP的恒功率输出特性（输出电压可以实现渐变）尤其适合于3.0版本的快充设计。可以大大改善手机内部充电发热问题。
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再者，从充电效率方面来看也有所差异。比如，对于旧有的2.0版本方案，当手机内部使用9V输入的DC/DC转换电路时，在电池电压比较低的情况下，很大一部分功率损耗于DC/DC变换电路，因而实际电池对功率的应用并未实现最大化。如上图所示其电源输出功率最大只能至16W。而对于3.0协议的方案，因其输出电压可连续变化，电源可以始终在输出电压介于6V至12V期间时保证最大18W的输出功率能力。InnoSwitch-CP的特性可以保证输出电压从6V开始以渐变的方式逐渐增加至12V输出，同时维持连续的18W输出功率能力。

实现初级和次级之间的控制，安规级新方案确保快充安全性
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此次最新发布的InnoSwitch-CP采用Fluxlink技术来精确控制电源输出特性，是典型的次级侧控制方式的电源方案。IC内部初次级侧各有一个控制器，初级侧还集成了一个功率MOSFET，，次级侧控制器实现对输出电压和电流的监测，根据监测结果将信息反馈至初级，进行相应的开关控制，从而实现更精确的输出电压和电流的控制。此外InnoSwitch-CP配置了次级侧的同步整流驱动技术，可以大大提升电源效率，改善充电器温升。采用次级侧控制器同时控制初级和次级两个开关管的开关，可以防止某些情况下可能出现的两个开关管同时开通的现象，从而避免灾难性的故障发生。相对于其它采用两个控制器分别控制初级和次级MOSFET的方案，InnoSwitch-CP可以实现更加可靠的同步整流工作控制，任何情况下都不会出现初级和次级两个开关同时导通的情况，从而大大提高可靠性。

另外，InnoSwitch-CP是第一个跨接于初级和次级之间满足安规要求的功率转换IC解决方案。

另外，InnoSwitch-CP是第一个跨接于初级和次级之间满足安规要求的功率转换IC。既然IC是处在初级和次级之间，首先被关注的是出现故障时会不会出现短路或绝缘降低的情况，一旦该故障结果存在人手触摸到就有触电危险。为了解决这个问题，PI所有的产品出厂之前都会进行全面测试，通过6Kv的耐压测试，以保证任何故障情况下IC本身的绝缘特性完好，避免触电的危险。InnoSwitch-CP是安规器件，已经通过了UL、TUV、CQC中国质量认证中心的认证。

InnoSwitch-CP专门应对QC3.0开发。CP是指输出电压在6V-12V之间，输出功率始终是18W,由于是次级反馈电源方案，InnoSwitch-CP可以实现正负3%的输出稳压精度。而一般快充方案只能达到5%的稳压精度，初级侧反馈方案达到3%的精度尤其困难。

精益求精是PI做产品的态度。InnoSwitch-CP的Fluxlink技术还可优化输出同步整流效果，可保证在整个负载范围内均提供极高的效率。例如，在230VAC输入时空载功耗低于10mW，而满载效率高达90%以上。InnoSwitch-CP器件可轻松满足全球所有能效标准。“空载功耗低到10毫瓦，直白地说就是充电器不用每天拔下来，几乎不会有任何电能消耗产生，即使采用高精度电表都无法对所消耗的功率进行计量。”Jason表示。
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“InnoSwitch-CP具有全面保护功能方面，包括输出过压保护、输入过压保护、过热保护。充电器有问题时内部会发热，如果人不在家，充电器可能会发生故障造成火灾。所以当充电器内部温度到一定程度时，该过温保护特性会动作，停止开关操作，进而停止功率传输防止火灾等严重事故的发生。”Jason强调道。

利用InnoSwitch-CP可轻松完成快充应用的设计，无过度设计及功率浪费。恒功率使输出电压的变化针对快速充电应用进行了优化，可降低电源成本并避免功率浪费，可以始终为负载提供最大功率。InnoSwitch-CP通过直接监测输出电流及电压实现精确控制，集成的同步整流驱动可提高效率且无需额外的光耦电路，无交越导通风险。更有国际安规认可的跨接于绝缘带之间的技术提供安全高效的保障。

“目前PI提供两种型号的InnoSwitch-CP器件。INN2214KIC提供15W输出功率，适用于通用输入电压范围的充电器和适配器应用，而更大型号的INN2215K在同类应用中可提供最大22W的输出功率。”Jason介绍说。

本文小结

快充技术发展到今天可以说已经比较成熟。在电池技术无法取得突破性成果的今天，快速充电技术可以说是最佳以及最合理的续航解决方案。PI最新解决方案InnoSwitch-CP系列恒压/恒流离线反激式开关IC克服多重挑战，在充电效率、充电安全、减少发热、降低功耗上都有出色的表现，快速充电或许从此真正开始，2016将成为快充真正发展元年。
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