|
這兩年來，新一代的智能手機尺寸越來越大，屏幕的分辨率越來越高，移動應用處理器（AP）運算速度也要求越來越快，這些變化都需要更大容量的鋰電池來支持。 隨著電池容量提升，大功率且高效的快速充電技術成為必需，而現有的傳統5V USB充電器使用統一使用充電接口Micro-USB，依照USB 協會發布的標準，Micro-USB 的最大允許的充電電流是1.8A，這意味著傳統的5V USB充電器將受限于9W以下，無法再提升更大輸出功率。 為了突破這個技術瓶頸，全球最大的手機芯片廠聯發科及高通，不約而同在新款手機芯片解決方案中，導入快速充電的功能。以過去充電器100%充電大概需要2~3 個小時來看，高通及聯發科的最新快速充電設計若搭配改款后的充電器，則50%充電僅需20分鐘，100%充電則有機會壓低到90分鐘以內。 雖然高通和聯發科都已經發布了各自的快速充電方案，但是他們的充電方式卻有非常大的差異，下面分別來介紹一下他們的充電原理及應對所設計的快速充電器方案。 1 高通的快速充電2.0（Quick Charge 2.0） 高通在2013年推出的驍龍800 的芯片，其中包含了QuickCharge 2.0版本的平臺，其工作原理簡單地說，就是由設備通過USB數據通訊口D+/D- ，輸出電壓信號給充電器，充電器內置USB輸入解碼芯片，判斷充電器需要輸出電壓大小。雖然快速充電的輸出電流被限制在1.8A以下，但是輸出電壓將可以有5V、9V和12V 三種選擇。新QC2.0的標準快速充電器的額定功率為15W，比過去常規5V USB充電器一下提升2~3倍。 現介紹一款配合高通QC2.0標準所開發的快速充電器。方案選擇是Dialog公司開發的滿足高通QC2.0 協議的解碼芯片iW620 和初級側PWM IC芯片iW1760。 iW620是一顆SOT-123小封裝的USB解碼IC。IC 從USB 數據通訊口D+/D-讀取需要的信息，再由IC的DRV驅動腳輸出信號，給光電耦合器的LED不同的電流（2mA~10mA）,對應控制不同輸出電壓5V/9V/12V，信號通過光電耦合器被反饋到初級電源管理芯片iW1760。 iW1760是一顆運用數字控制的電源管理芯片，它能夠實現在初級控制次級端的輸出電壓和電流。 在iW1760 內部有實時波形分析儀，它通過一個個周期循環讀取VSENSE 腳的電壓波形，然后生成一個反饋電壓VFB，此VFB信號可以精確地等效在大多數情況下的輸出電壓，這樣來用于調節輸出電壓。 iW1760 的VSENSE腳，其功能就要是從電源變壓器的輔助繞組讀取電壓感應信號，傳輸到IC 內部數字控制模塊分析，進而來控制輸出電壓。 在這個設計里，我們利用光電耦合器的LED 接收次級USB 解碼IC iW620所分析輸出的控制信號，再把信號反饋到初級側，驅動并控制兩組的開關管，進而由分別控制的兩個分壓電阻形成的分壓線路，影響到輸入V sense的三種狀態的信號，而這三種狀態即對應5V/9V/12V 這三種輸出電壓。 這個線路的電流控制是通過對IC Isense 腳的控制來實現的。iW1760通過檢測初級側電流來感應次級負載電流的變化，電流采樣點就是在功率開關MOSFET的源極到地端的限流電阻上。 2 聯發科的快充技術Pump Express 聯發科在今年2 月份發布的新SOC 處理器-MT6630，其中就搭載其快速充電新技術Pump Express。 Pump Express技術內置于PMIC的電源管理集成電路。 Pump Express特點：允許充電器根據電流決定充電所需的初始電壓，由PMIC發出脈沖電流指令通過USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個指令調變輸出電壓，電壓逐漸增加至高達5V 達到最大充電電流。 聯發科目前有兩種快充規格： （1）Pump Express為快速直流充電器提供的輸出功率小于10W（5V），受控輸出電壓：5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V，主流輸出功率：5V/1A & 5V/1.5A （2）Pump Express Plus為充電器提供的輸出功率大于15W，其差別為受控輸出電壓增加了12V、9V 和7V 三個檔位，為12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。 目前配合聯發科的快充方式，也已經有Dialog，On-bridge 和通嘉等電源芯片廠為其配合開發專屬電源管理IC，它無需使用到USB的數據通訊口，線路簡潔，從架構上看和目前傳統USB 充電器幾乎一樣，其電源設計原理上也一樣，所以這里不做詳細的說明。 從上面的敘述，能發現使用高通的快速充電方案優點：控制邏輯單純，可靠性好，缺點：充電器的成本比同功率的充電器高20~30%。目前歐美和日本的手機制造商偏向使用高通的方案。 聯發科的方案，其智能手機及充電器總成本控制在略增10%以內，迎合中國及新興國家中、低階智能手機產品市場的需要。但是從技術的角度看，用電流脈沖信號的控制模式，其抗電磁干擾性和穩定性還需要更多驗證。 3 結束語 快速充電應用功能的新訴求，由于涉及整個充電器系統的設計改變，在高通及聯發科聯手強推下，成為促進2014 年智能手機充電器產業洗牌動作的重大變數。在快速充電器的設計上，無論是設計成本降低，還是可靠性提升等方面，都有更多新的課題值得人們去探討。 參考文獻 [1]（美）普利斯曼，莫瑞.王志強，等譯.開關電源設計（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2010. [2]中國信息產業部.移動通信手持機充電及接口技術要求和測試方法[Z].（YD/T 1591-2006）. [3]High Voltage Dedicated Charging Port QuickCharge 2.0 Interface Specification[Z].Qualcomm，2013. |
