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快速充电技术在智能手机的应用

2018-11-21 16:39:12  628 智能手机 USB 充电器
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  这两年来,新一代的智能手机尺寸越来越大,屏幕的分辨率越来越高,移动应用处理器(AP)运算速度也要求越来越快,这些变化都需要更大容量的锂电池来支持。
  随着电池容量提升,大功率且高效的快速充电技术成为必需,而现有的传统5V USB充电器使用统一使用充电接口Micro-USB,依照USB 协会发布的标准,Micro-USB 的最大允许的充电电流是1.8A,这意味着传统的5V USB充电器将受限于9W以下,无法再提升更大输出功率。
  为了突破这个技术瓶颈,全球最大的手机芯片厂联发科及高通,不约而同在新款手机芯片解决方案中,导入快速充电的功能。以过去充电器100%充电大概需要2~3 个小时来看,高通及联发科的最新快速充电设计若搭配改款后的充电器,则50%充电仅需20分钟,100%充电则有机会压低到90分钟以内。
  虽然高通和联发科都已经发布了各自的快速充电方案,但是他们的充电方式却有非常大的差异,下面分别来介绍一下他们的充电原理及应对所设计的快速充电器方案。
  1 高通的快速充电2.0(Quick Charge 2.0)
  高通在2013年推出的骁龙800 的芯片,其中包含了QuickCharge 2.0版本的平台,其工作原理简单地说,就是由设备通过USB数据通讯口D+/D-,输出电压信号给充电器,充电器内置USB输入解码芯片,判断充电器需要输出电压大小。虽然快速充电的输出电流被限制在1.8A以下,但是输出电压将可以有5V、9V和12V 三种选择。新QC2.0的标准快速充电器的额定功率为15W,比过去常规5V USB充电器一下提升2~3倍。
  现介绍一款配合高通QC2.0标准所开发的快速充电器。方案选择是Dialog公司开发的满足高通QC2.0 协议的解码芯片iW620 和初级侧PWM IC芯片iW1760。

  iW620是一颗SOT-123小封装的USB解码IC.IC 从USB 数据通讯口D+/D-读取需要的信息,再由IC的DRV驱动脚输出信号,给光电耦合器的LED不同的电流(2mA~10mA),对应控制不同输出电压5V/9V/12V,信号通过光电耦合器被反馈到初级电源管理芯片iW1760。
  iW1760是一颗运用数字控制的电源管理芯片,它能够实现在初级控制次级端的输出电压和电流。

  在iW1760 内部有实时波形分析仪,它通过一个个周期循环读取VSENSE 脚的电压波形,然后生成一个反馈电压VFB,此VFB信号可以精确地等效在大多数情况下的输出电压,这样来用于调节输出电压。
  iW1760 的VSENSE脚,其功能就要是从电源变压器的辅助绕组读取电压感应信号,传输到IC 内部数字控制模块分析,进而来控制输出电压。
  在这个设计里,我们利用光电耦合器的LED 接收次级USB 解码IC iW620所分析输出的控制信号,再把信号反馈到初级侧,驱动并控制两组的开关管,进而由分别控制的两个分压电阻形成的分压线路,影响到输入V sense的三种状态的信号,而这三种状态即对应5V/9V/12V 这三种输出电压。
  这个线路的电流控制是通过对IC Isense 脚的控制来实现的。iW1760通过检测初级侧电流来感应次级负载电流的变化,电流采样点就是在功率开关MOSFET的源极到地端的限流电阻上。
  2 联发科的快充技术Pump Express
  联发科在今年2 月份发布的新SOC 处理器-MT6630,其中就搭载其快速充电新技术Pump Express。
  Pump Express技术内置于PMIC的电源管理集成电路
  Pump Express特点:允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器,充电器依照这个指令调变输出电压,电压逐渐增加至高达5V 达到最大充电电流。

  联发科目前有两种快充规格:
  (1)Pump Express为快速直流充电器提供的输出功率小于10W(5V),受控输出电压:5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V,主流输出功率:5V/1A & 5V/1.5A。
  (2)Pump Express Plus为充电器提供的输出功率大于15W,其差别为受控输出电压增加了12V、9V 和7V 三个档位,为12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。
  目前配合联发科的快充方式,也已经有Dialog,On-bridge 和通嘉等电源芯片厂为其配合开发专属电源管理IC,它无需使用到USB的数据通讯口,线路简洁,从架构上看和目前传统USB 充电器几乎一样,其电源设计原理上也一样,所以这里不做详细的说明。
  从上面的叙述,能发现使用高通的快速充电方案优点:控制逻辑单纯,可靠性好,缺点:充电器的成本比同功率的充电器高20~30%。目前欧美和日本的手机制造商偏向使用高通的方案。
  联发科的方案,其智能手机及充电器总成本控制在略增10%以内,迎合中国及新兴国家中、低阶智能手机产品市场的需要。但是从技术的角度看,用电流脉冲信号的控制模式,其抗电磁干扰性和稳定性还需要更多验证。
  3 结束语
  快速充电应用功能的新诉求,由于涉及整个充电器系统的设计改变,在高通及联发科联手强推下,成为促进2014 年智能手机充电器产业洗牌动作的重大变数。在快速充电器的设计上,无论是设计成本降低,还是可靠性提升等方面,都有更多新的课题值得人们去探讨。
  参考文献
  [1](美)普利斯曼,莫瑞。王志强,等译。开关电源设计(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2010.
  [2]中国信息产业部。移动通信手持机充电及接口技术要求和测试方法[Z].(YD/T 1591-2006).
  [3]High Voltage Dedicated Charging Port QuickCharge 2.0 InteRFace SpecIFication[Z].Qualcomm,2013.

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