如今,智慧手機、平板電腦等可攜式裝置隨著用戶的所需而不斷增大螢幕和增多功能,耗電量明顯增加,如何延長電池續航時間成為工程師需要解決的重要問題。同時,用戶需要快速充電,使電源轉接器所需的功率也增加,高通快速充電技術是應此需求而生。

高通快速充電技術概覽

採用傳統的5 V輸入電壓充電,由於輸出大電流和線性電阻產生的壓降限制電池充電IC輸入對輸出電壓餘量,且產生更多熱量和能效損失導致手機系統顯著發熱,而減小輸出電流則需要更長的充電時間。高通快速充電技術突破傳統5 V充電的限制,減少線路損耗,為電池充電IC提供充足的餘量,改善熱性能,實現更高轉換能效,大大縮短充電時間。例如,若電纜電阻300 mΩ,可攜式裝置中總電阻300 mΩ,採用傳統的5 V電壓充電,根據USB電池充電規範1.2版(USB BC 1.2),Micro USB電纜的最大電流限制在1.8 A,輸入功率為9 W,功耗為(1.8)2 x(0.3 + 0.3)=1.94 W,能效損失達到22%;若採用高通快速充電,將輸入電壓提高至9 V,在相同輸入功率9 W的情況下,輸入電流為1 A,此時功耗僅為12 x (0.3 + 0.3) = 0.6 W,能效損失僅為5 V/1.8 A的1/3,減小發熱量,且實現更快充電。

高通快速充電現已升級至QC 3.0,比上一代QC 2.0更進一步提升充電效率和加快充電速度。QC 2.0提供5V、9V、12V和20V四檔充電電壓,QC 3.0則以200 mV為步幅,提供從3.6 V到20 V電壓的靈活選擇。採用高通 QC 3.0時,可攜式裝置通過USB介面的D+和D-訊號提交電壓選擇請求,在同一時間可能有不規律的USB數據通信。關於QC3.0支援的匯流排電壓(VBUS) 範圍,A級為3.6 V至12 V,B級為3.6 V至20 V。QC 3.0在離散模式下等同於QC 2.0,以0 V、0.6 v、3.3 V三級邏輯通過靜態D+/D- 值選擇VBUS;在連續模式下,新的QC 3.0以200 mV小步幅增加或降低VBUS,讓可攜式裝置選擇最適合的電壓達到理想充電效率,更具靈活性,其最大負載電流限制為3 A,最高功率可達60 W。

QC 3.0相容於先前的QC版本,並可支援最新的USB Type-C介面,其工作原理是:在電源轉接器裏的次級端需要一個IC經由USB電纜來連接高通IC,USB D+和D-用於發送來自可攜式裝置的資訊到轉接器,次級端控制器處理所需的輸出電壓,解碼D+和D-訊號資訊,請求初級端AC-DC控制器通過光耦來調節所需的輸出電壓,從而減小損耗,提高充電效率。

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圖1:QC 3.0的工作原理圖

安森美半導體實現高通QC 3.0的完整方案

安森美半導體致力於推動高能效創新,是全球電源方案的領袖,為配合新一代快速充電技術,公司推出符合新的高通QC 3.0的AC-DC轉接器方案,支援更小尺寸的轉接器,具有能效高、空載待機能耗低等優勢,支援高通QC 3.0高壓專用充電端口(HVDCP)A級和B級規格,和向後相容舊的QC 2.0協議,並符合UL認證和歐盟能效標準(CoC V5 Tier-2)要求,提供領先業界的高能效。該方案整合NCP4371次級端充電控制器、NCP4308同步整流(SR)控制器和NCP1361/6初級端穩流准諧振(QR) PWM控制器。

其中,NCP4371次級端QC3.0充電控制器支援充電器USB VBUS根據手機或可攜式裝置的需求而變化,為優化電池充電時間,USB VBUS可在3.6 V-20 V以離散步幅配置,相容USB BC 1.2,提供+/-3%的恒壓和恒流調節,內置可配置的功率限制功能,具備內部或外部放電功能選擇,軟短路限流降至VBUS = 2.2 V,外部元件少,無需次級端並聯穩壓器如TL431,就能實現一個充電器設計,節省了成本和所需空間。

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圖2:NCP4371應用原理圖

需要注意的是,NCP4371支援恒定功率和恒定電流模式。一般而言,USB Type-A的最大電流為1.5 A至2.0 A, Type-C的最大電流為3.0 A或5.0 A。在恒定功率模式下,如果降低輸出電壓,必然導致輸出電流增加,進而產生更多損耗,因而我們必須限制恒定功率模式下的最大電流。NCP4371功率選擇A針對採用QC 3.0 A級的小功率應用,並定義了5條電流限制曲線,功率選擇B適用於QC 3.0 A級和B級的大功率應用,並定義了8條電流限制曲線,這樣最大輸出電流可被限制到期望值,功率選擇C則無功率限制。在具體設計中,需根據實際需要,選擇NCP4371的不同版本:首先選擇所需的功率限制,然後從「RSENSE vs. POUT 圖」中選擇電流檢測電阻值,最後使用電流限制選型圖選擇電流限制元件代碼。

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圖3:RSENSE vs. POUT 圖及電流限制選型圖

NCP1361是針對混合架構(PSR=CC; TL+Opto=CV)配置的初級端穩壓和穩流器。它工作在准諧振峰值電流模式,採用頻率鉗位控制(80 kHz或110),輕載模式下提供固定峰值電流和深度頻率反走,採用初級端穩流,而無需次級回饋回路,減少外部元件,節省面板空間,啟動時間少,實現高平均能效和低待機能耗。准諧振模式的優勢在於,谷底鎖定防止帶雜訊的谷跳,而谷底開關提升能效。

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圖4:NCP1361典型應用電路

NCP4308同步整流控制器則作為實現高功率密度的一個選擇,具有高灌電流和驅動電流(8 A 灌電流 / 4 A 驅動電流),通過減少交叉導通提升正常模式能效,無需輔助電源繞組,提供寬電源電壓範圍,電流檢測引腳高達100 V,具備超快關斷觸發、可調節的最小導通/關斷時間、自適應閘極驅動、精密的真正的零電流檢測(ZCD)、低啟動電流和低待機電流,帶輕載和空載模式,用於10-30 W充電器。

能效測試

在安森美半導體的QC 3.0快速充電器評估板端,通過USB連接器測得該方案在5 V輸出時的待機能耗低於75 mW,在5 V、9 V、12 V輸出時的能效最高可接近90%,漣波和雜訊小於80 mV,電壓和電流調節精度達到+/-5%,啟動時間小於1.5 秒,並且提供極佳的共模雜訊抑制、抗電磁輻射(EMI)傳導干擾和輻射干擾。

總結

快充技術有效地解決了智慧手機和平板電腦等可攜式裝置在續航時間方面的瓶頸問題,正迅速獲得可攜式廠商的認可和消費市場的極大關注。安森美半導體實現高通QC 3.0的方案提供從3.6 V至20 V更靈活的電壓選擇,優化充電時間,可理想地實現平滑的電壓轉換,在各種負載條件下都提供高能效,還有助於節省成本和所需空間,並向後相容QC 2.0協議,同時符合UL認證和CoC V5 Tier-2等歐盟能效標準要求。

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