隨著(zhù)用戶(hù)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(hù)的重要指標。經(jīng)過(guò)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，處于群雄紛爭的“戰國時(shí)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和難題。

在近日由EEVIA主辦的“2016中國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換的高壓集成電路業(yè)界的領(lǐng)導者Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PI）公司的高級應用工程師、實(shí)驗室經(jīng)理Jason Yan對在場(chǎng)的媒體和工程開(kāi)發(fā)者深入闡述了快充技術(shù)的發(fā)展趨勢以及借助PI最新方案的應對之道，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(xiàn)反激式開(kāi)關(guān)IC產(chǎn)品，不僅有助于提升手機的充電效率，更可有效改善手機發(fā)熱問(wèn)題。 

雖尚需時(shí)日，USB-PD有望一統快充“江湖”
從事電源設計開(kāi)發(fā)和技術(shù)支持工作超過(guò)24年的Jason分析道，從線(xiàn)型降壓電源開(kāi)始，電源開(kāi)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，現在的趨勢是快速充電。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 )相應的增加。因而快速充電應用應運而生。其實(shí)現方法是手機跟充電器進(jìn)行雙向通訊，電源會(huì )根據負載端發(fā)出的指令做出反應，改變其輸出電壓和電流，實(shí)現減小功率損耗、增大充電功率、減小充電時(shí)間的目的，從而實(shí)現快速充電。

實(shí)現快充的前提是實(shí)現充電器端和手機端進(jìn)行通訊，如此便涉及到通訊協(xié)議的問(wèn)題。協(xié)議不同接口會(huì )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(guò)數據線(xiàn)傳輸，數據線(xiàn)根據不同的通訊協(xié)議要求，通過(guò)D+、D-傳送指令信號，這種方式最早應用于高通公司的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)現雙向通訊，且其傳輸功率可以進(jìn)一步增加，應用前景將更加廣闊。相信在很多充電應用領(lǐng)域會(huì )被廣泛采用。

Jason認為，現在的快充通信協(xié)議市場(chǎng)呈現諸侯割據、混戰的形勢，還沒(méi)有統一標準。未來(lái)USB-PD協(xié)議將被引入，作為一個(gè)相對更完善的協(xié)議，將對國家快充標準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(zhù)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），則可以改善手機內部DC/DC轉換器的功耗，從而降低手機充電過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題。針對此方式，PI推出的具有恒功率輸出特性的IC，以滿(mǎn)足快速充電應用中輸出電壓實(shí)現漸變特性的要求�！�

PI一直致力于追求高功率密度解決方案，減少元件數目，提高效率。因目前的很多應用都希望在使用現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計當中，優(yōu)化效率相對來(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)現不同輸出電壓情況下的效率問(wèn)題�？斐鋺�用中變壓器設計時(shí)進(jìn)行綜合考量對于設計工程師來(lái)說(shuō)將是個(gè)挑戰。。另外，隨著(zhù)功率增加，外殼較小，如果電源轉換效率不高，充電器發(fā)熱嚴重的話(huà)，相應對產(chǎn)品的可靠性也是個(gè)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(wú)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(shí)現18w恒功率輸出，降低線(xiàn)路上的損耗，改善手機發(fā)熱，實(shí)現真正快速充電。

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(guò)程中其充電電流是由手機內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部的DC/DC轉換電路。DC/DC轉換電路的輸入即為外部連接的快充充電器的輸出。如果外部供給轉換電路的電壓比較高，則DC/DC轉換電路的功耗就會(huì )比較大，從而帶來(lái)手機發(fā)熱問(wèn)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比較固定的情況下，DC/DC轉換電路輸入輸出的壓差比較大，因而功耗比較嚴重。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轉換器兩端的壓差可以根據電池兩端電壓實(shí)現精確控制，因而可以大大降低DC/DC轉換電路的損耗。另外，DC/DC轉換電源本身的轉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)現漸變）尤其適合于3.0版本的快充設計�？梢源蟠蟾纳剖謾C內部充電發(fā)熱問(wèn)題。

再者，從充電效率方面來(lái)看也有所差異。比如，對于舊有的2.0版本方案，當手機內部使用9V輸入的DC/DC轉換電路時(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)際電池對功率的應用并未實(shí)現最大化。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(kāi)始以漸變的方式逐漸增加至12V輸出，同時(shí)維持連續的18W輸出功率能力。

實(shí)現初級和次級之間的控制，安規級新方案確�？斐浒踩�性
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，是典型的次級側控制方式的電源方案。IC內部初次級側各有一個(gè)控制器，初級側還集成了一個(gè)功率MOSFET，，次級側控制器實(shí)現對輸出電壓和電流的監測，根據監測結果將信息反饋至初級，進(jìn)行相應的開(kāi)關(guān)控制，從而實(shí)現更精確的輸出電壓和電流的控制。此外InnoSwitch-CP配置了次級側的同步整流驅動(dòng)技術(shù)，可以大大提升電源效率，改善充電器溫升。采用次級側控制器同時(shí)控制初級和次級兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)，可以防止某些情況下可能出現的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通的現象，從而避免災難性的故障發(fā)生。相對于其它采用兩個(gè)控制器分別控制初級和次級MOSFET的方案，InnoSwitch-CP可以實(shí)現更加可靠的同步整流工作控制，任何情況下都不會(huì )出現初級和次級兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通的情況，從而大大提高可靠性。
另外，InnoSwitch-CP是第一個(gè)跨接于初級和次級之間滿(mǎn)足安規要求的功率轉換IC解決方案。

另外，InnoSwitch-CP是第一個(gè)跨接于初級和次級之間滿(mǎn)足安規要求的功率轉換IC。既然IC是處在初級和次級之間，首先被關(guān)注的是出現故障時(shí)會(huì )不會(huì )出現短路或絕緣降低的情況，一旦該故障結果存在人手觸摸到就有觸電危險。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PI所有的產(chǎn)品出廠(chǎng)之前都會(huì )進(jìn)行全面測試，通過(guò)6Kv的耐壓測試，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。InnoSwitch-CP是安規器件，已經(jīng)通過(guò)了UL、TUV、CQC中國質(zhì)量認證中心的認證。

InnoSwitch-CP專(zhuān)門(mén)應對QC3.0開(kāi)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(shí)現正負3%的輸出穩壓精度。而一般快充方案只能達到5%的穩壓精度，初級側反饋方案達到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(gè)負載范圍內均提供極高的效率。例如，在230 VAC輸入時(shí)空載功耗低于10 mW，而滿(mǎn)載效率高達90%以上。InnoSwitch-CP器件可輕松滿(mǎn)足全球所有能效標準�！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)法對所消耗的功率進(jìn)行計量�！盝ason表示。

“InnoSwitch-CP具有全面保護功能方面，包括輸出過(guò)壓保護、輸入過(guò)壓保護、過(guò)熱保護。充電器有問(wèn)題時(shí)內部會(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。所以當充電器內部溫度到一定程度時(shí)，該過(guò)溫保護特性會(huì )動(dòng)作，停止開(kāi)關(guān)操作，進(jìn)而停止功率傳輸防止火災等嚴重事故的發(fā)生�！盝ason強調道。

利用InnoSwitch-CP可輕松完成快充應用的設計，無(wú)過(guò)度設計及功率浪費。恒功率使輸出電壓的變化針對快速充電應用進(jìn)行了優(yōu)化，可降低電源成本并避免功率浪費，可以始終為負載提供最大功率。InnoSwitch-CP通過(guò)直接監測輸出電流及電壓實(shí)現精確控制，集成的同步整流驅動(dòng)可提高效率且無(wú)需額外的光耦電路，無(wú)交越導通風(fēng)險。更有國際安規認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用，而更大型號的INN2215K在同類(lèi)應用中可提供最大22 W的輸出功率�！� Jason介紹說(shuō)。

本文小結

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航解決方案。PI最新解決方案InnoSwitch-CP系列恒壓/恒流離線(xiàn)反激式開(kāi)關(guān)IC克服多重挑戰，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，快速充電或許從此真正開(kāi)始，2016將成為快充真正發(fā)展元年。