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安森美半導體實現高通快速充電QC3.0的方案優化能效

如今,智能手機、平板電腦等便攜式設備隨著用戶的所需而不斷增大屏幕和增多功能,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,使電源適配器所需的功率也增加,高通快速充電技術是應此需求而生。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201605/291122.htm

高通快速充電技術概覽

采用傳統的5 V輸入電壓充電,由于輸出大電流和線性阻抗產生的壓降限制電池充電IC輸入對輸出電壓余量,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提供充足的余量,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 m?,便攜式設備中總電阻300 m?,采用傳統的5 V電壓充電,根據USB電池充電規范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%;若采用高通快速充電,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。采用高通 QC 3.0時,便攜式設備通過USB接口的D+和D-信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。關于QC3.0支持的總線電壓(VBUS) 范圍,A級為3.6 V至12 V,B級為3.6 V至20 V。QC 3.0在分立模式下等同于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,讓便攜式設備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兼容于先前的QC版本,并可支持最新的USB Type-C接口,其工作原理是:在電源適配器里的次級端需要一個IC經由USB電纜來連接高通IC,USB D+和D-用于發送來自便攜式設備的信息到適配器,次級端控制器處理所需的輸出電壓,解碼D+和D-信號信息,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。

圖1:QC 3.0的工作原理圖

半導體實現高通QC 3.0的完整方案

半導體致力于推動高能效創新,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適配器方案,支持更小尺寸的適配器,具有能效高、空載待機能耗低等優勢,支持高通QC 3.0高壓專用充電端口(HVDCP)A級和B級規格,和向后兼容舊的QC 2.0協議,并符合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。該方案集成NCP4371次級端充電控制器、同步整流(SR)控制器和NCP1361/6初級端穩流準諧振(QR) PWM控制器。

其中,NCP4371次級端QC3.0充電控制器支持充電器USB VBUS根據手機或便攜式設備的需求而變化,為優化電池充電時間,USB VBUS可在3.6 V-20 V以分立步幅配置,兼容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,無需次級端并聯穩壓器如TL431,就能實現一個充電器設計,節省了成本和所需空間。

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針對采用QC 3.0 A級的小功率應用,并定義了5條電流限制曲線,功率選擇B適用于QC 3.0 A級和B級的大功率應用,并定義了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,然后從“RSENSE vs. POUT 圖”中選擇電流檢測電阻值,最后使用電流限制選型圖選擇電流限制器件代碼。

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。它工作在準諧振峰值電流模式,采用頻率鉗位控制(80 kHz或110),輕載模式下提供固定峰值電流和深度頻率反走,采用初級端穩流,而無需次級反饋回路,減少外部元件,節省占板空間,啟動時間少,實現高平均能效和低待機能耗。準諧振模式的優勢在于,谷底鎖定防止帶噪聲的谷跳,而谷底開關提升能效。

圖4:NCP1361典型應用電路

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,提供寬電源電壓范圍,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、自適應門極驅動、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,用于10-30 W充電器。

能效測試

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于75 mW,在5 V、9 V、12 V輸出時的能效最高可接近90%,紋波和噪聲小于80 mV,電壓和電流調節精度達到+/-5%,啟動時間小于1.5 秒,并且提供極佳的共模噪聲抑制、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能手機和平板電腦等便攜式設備在續航時間方面的瓶頸問題,正迅速獲得便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,還有助于節省成本和所需空間,并向后兼容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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