恒功率高效率充電方案
技術(shù)資料發(fā)布時間：2022-12-29
| 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(biāo)。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。
雖尚需時日，USB-PD有望一統(tǒng)快充“江湖” 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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。快充應(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(yán)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(yán)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(dāng)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)級新方案確保快充安全性
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(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。“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(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。”Jason表示。
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(fù)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(rèn)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。” 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。 |
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