眾所周知,，手機(jī)處理器正在以摩爾定律的速度前進(jìn)著，早先的單核雙核已經(jīng)進(jìn)化到了如今的八核十核,。相比于飛速發(fā)展的手機(jī)硬件性能,，電池技術(shù)的進(jìn)步可用“龜速”來(lái)形容也不夸張,，成為提升用戶體驗(yàn)的瓶頸之一。如今手機(jī)廠商解決續(xù)航的辦法無(wú)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(jiǎn)單粗暴”，后者的實(shí)用性顯然更高,。

       隨著用戶體驗(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(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)熱問題,。

雖尚需時(shí)日，USB-PD有望一統(tǒng)快充“江湖” 

       從事電源設(shè)計(jì)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(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(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。

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(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)充電過程中的發(fā)熱問題,。針對(duì)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(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題,。快充應(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),。可以大大改善手機(jī)內(nèi)部充電發(fā)熱問題,。

       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,。

實(shí)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)之間的控制，安規(guī)級(jí)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(lái)精確控制電源輸出特性,，是典型的次級(jí)側(cè)控制方式的電源方案。IC內(nèi)部初次級(jí)側(cè)各有一個(gè)控制器,，初級(jí)側(cè)還集成了一個(gè)功率MOSFET,，，次級(jí)側(cè)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的監(jiān)測(cè),，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果將信息反饋至初級(jí),，進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制，從而實(shí)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(jí)側(cè)的同步整流驅(qū)動(dòng)技術(shù),，可以大大提升電源效率，改善充電器溫升,。采用次級(jí)側(cè)控制器同時(shí)控制初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)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(gè)開關(guān)管同時(shí)開通的現(xiàn)象，從而避免災(zāi)難性的故障發(fā)生,。相對(duì)于其它采用兩個(gè)控制器分別控制初級(jí)和次級(jí)MOSFET的方案,，InnoSwitch-CP可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的同步整流工作控制，任何情況下都不會(huì)出現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的情況,，從而大大提高可靠性,。

       另外，InnoSwitch-CP是第一個(gè)跨接于初級(jí)和次級(jí)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(gè)跨接于初級(jí)和次級(jí)之間滿足安規(guī)要求的功率轉(zhuǎn)換IC。既然IC是處在初級(jí)和次級(jí)之間,，首先被關(guān)注的是出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)不會(huì)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(xiǎn)。為了解決這個(gè)問題,，PI所有的產(chǎn)品出廠之前都會(huì)進(jìn)行全面測(cè)試,，通過6Kv的耐壓測(cè)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(xiǎn),。InnoSwitch-CP是安規(guī)器件，已經(jīng)通過了UL,、TUV,、CQC中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心的認(rèn)證,。

       InnoSwitch-CP專門應(yīng)對(duì)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(jí)反饋電源方案,，InnoSwitch-CP可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)3%的輸出穩(wěn)壓精度。而一般快充方案只能達(dá)到5%的穩(wěn)壓精度,，初級(jí)側(cè)反饋方案達(dá)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均提供極高的效率,。例如，在230 VAC輸入時(shí)空載功耗低于10 mW,，而滿載效率高達(dá)90%以上,。InnoSwitch-CP器件可輕松滿足全球所有能效標(biāo)準(zhǔn)?！翱蛰d功耗低到10毫瓦,，直白地說(shuō)就是充電器不用每天拔下來(lái)，幾乎不會(huì)有任何電能消耗產(chǎn)生,，即使采用高精度電表都無(wú)法對(duì)所消耗的功率進(jìn)行計(jì)量,。”Jason表示,。

       “InnoSwitch-CP具有全面保護(hù)功能方面,，包括輸出過壓保護(hù)、輸入過壓保護(hù),、過熱保護(hù),。充電器有問題時(shí)內(nèi)部會(huì)發(fā)熱，如果人不在家,，充電器可能會(huì)發(fā)生故障造成火災(zāi),。所以當(dāng)充電器內(nèi)部溫度到一定程度時(shí)，該過溫保護(hù)特性會(huì)動(dòng)作,，停止開關(guān)操作,，進(jìn)而停止功率傳輸防止火災(zāi)等嚴(yán)重事故的發(fā)生,?！盝ason強(qiáng)調(diào)道。

       利用InnoSwitch-CP可輕松完成快充應(yīng)用的設(shè)計(jì),，無(wú)過度設(shè)計(jì)及功率浪費(fèi),。恒功率使輸出電壓的變化針對(duì)快速充電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可降低電源成本并避免功率浪費(fèi),，可以始終為負(fù)載提供最大功率,。InnoSwitch-CP通過直接監(jiān)測(cè)輸出電流及電壓實(shí)現(xiàn)精確控制,，集成的同步整流驅(qū)動(dòng)可提高效率且無(wú)需額外的光耦電路，無(wú)交越導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn),。更有國(guó)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(hào)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(hào)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(shuō),。

本文小結(jié)

       快充技術(shù)發(fā)展到今天可以說(shuō)已經(jīng)比較成熟。在電池技術(shù)無(wú)法取得突破性成果的今天,，快速充電技術(shù)可以說(shuō)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。