【導(dǎo)讀】針對智能手機(jī)和平板電腦等移動設(shè)備的快速充電是消費(fèi)電子行業(yè)中增長最快和規(guī)模最大的市場之一，相應(yīng)電源適配器每年全球使用量達(dá)數(shù)億件以上。其中涉及一系列新興技術(shù)和挑戰(zhàn)，包括USB Power Delivery（PD）。本文將探討一些目前與快充相關(guān)的AC/DC功率變換關(guān)鍵技術(shù)，重點討論對USB PD的支持、技術(shù)的發(fā)展，以及Dialog在這方面提供的最新產(chǎn)品和解決方案。
移動設(shè)備AC/DC電源適配器之大趨勢
大多數(shù)移動設(shè)備（包括智能手機(jī)和平板電腦）都需要AC/DC開關(guān)電源適配器/充電器為電池充電。我們先來看一下大趨勢。如圖1所示，大約15年前，插在墻頭的充電器看上去簡單且略顯笨重，其功率通常為5W或更低，具有固定的5V輸出電壓。
大約10年前，隨著智能手機(jī)的推出，整個行業(yè)過渡到了基于USB Type-A的便攜式電源適配器（Travel Adaptor）。功率增加到了7.5W和10W，輸出電壓仍固定在5V左右。
大約7到8年前，業(yè)內(nèi)開始開發(fā)快速充電解決方案，輸出電壓不再是固定的5V。它可以配置為9V、12V、或其他具有不同輸出電流的電壓水平，并且功率通常增加到15W、18W、或至25W。這一進(jìn)步主要是由多家手機(jī)端芯片組解決方案提供商和智能手機(jī)制造商共同推動的。
近年來，使用USB Type-C和USB PD技術(shù)來支持更高功率級別的快充成為新趨勢。市場上也相應(yīng)地出現(xiàn)了各種基于USB PD的便攜式電源適配器。它們支持的功率達(dá)到45W、65W及以上，具有較寬的輸出電壓和電流范圍（3.3V至21V，0至5A等）。盡管功率級別增加了，但電源適配器的大小并沒有成比例地增加。消費(fèi)者喜歡將電源適配器放在口袋里，沒人愿意攜帶一個笨重的電源適配器。這就意味著功率密度變得更高了。
圖 1：針對移動設(shè)備的AC/DC電源適配器發(fā)展趨勢
快充的工作原理
今天的智能手機(jī)（如5G手機(jī)）具備更強(qiáng)的性能，例如更快的處理速度和更大的屏幕，這些需要由更大容量的電池來供電，目前已達(dá)到4000mAh至5000mAh或更高。但是，電池容量的增大不能以延長充電時間為代價，因為消費(fèi)者不愿意在電池充電上等待太長時間。所以，市場需要快充，這意味著需要快速地將電能從墻壁插座通過充電器和線纜傳輸?shù)绞謾C(jī)內(nèi)部的電池中。要提高充電速度，則需要更高的功率。
大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦通過USB線充電，默認(rèn)電壓為5V。通常，線纜和連接器有著可通過的最大電流限制，因此電源適配器需要增加其輸出電壓才能提高充電功率。這樣一來，快充電源適配器便不再僅僅以5V電壓工作。新的適配器設(shè)計使其可以動態(tài)地配置輸出電壓和電流。當(dāng)電源適配器初次插入墻壁插座時，其輸出電壓仍為5V，之后智能手機(jī)將根據(jù)手機(jī)端的操作條件通過某些通信協(xié)議協(xié)商并請求不同的輸出電壓，電源適配器則可以相應(yīng)地調(diào)整其輸出電壓。
快充除了配置電壓外，還可以配置電流限制。有一種稱為“直接充電”的方法，可以繞過手機(jī)內(nèi)部基于DC/DC開關(guān)電源變換器的電池充電電路，直接使用外部的AC/DC開關(guān)電源為電池充電。這就需要以精細(xì)的步長（例如20mV /步、50mA /步）對AC/DC電源適配器的輸出電壓和電流進(jìn)行更精確、更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，以匹配電池的不同工作范圍和運(yùn)行狀況（例如：1S電池典型電壓范圍為3.7V至4.2V；2S典型電壓范圍為7.4V至8.4V）。
為什么使用Type-C和USB PD？
實現(xiàn)快充需要適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。到目前為止，業(yè)界還沒有統(tǒng)一的快充協(xié)議，基于D+/D- 的協(xié)議（例如高通Quick Charge QC2.0/3.0和某些OEM專有協(xié)議）和USB PD并存，而USB PD正成為一種新趨勢。USB PD是建立在USB Type-C連接器之上的通信協(xié)議，而USB Type-C是一種新的連接器技術(shù)，它提供了各種擴(kuò)展的功能，比現(xiàn)有的A型/B型連接器具有更多的引腳，可支持高達(dá)100W的功率以及5A的更大電流。它的目標(biāo)是實現(xiàn)真正的通用性、正反可用性和便利性，實現(xiàn)線纜兩端都可以插，接口正反都可以用。它的尺寸小于A型/B型連接器，有助于實現(xiàn)小型化設(shè)計。它不僅適用于移動設(shè)備，還適用于計算機(jī)、電視和其他消費(fèi)電子應(yīng)用，并得到所有主要OEM的支持。借助Type-C連接器，USB PD協(xié)議可以在一根線纜中組合、協(xié)商和傳輸電源、數(shù)據(jù)、視頻和音頻信息。USB PD協(xié)議涵蓋面廣，其標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展演變中。USB PD 2.0的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許多達(dá)7個電壓檔位，每檔都有相應(yīng)的電流限制；而支持可編程電源（PPS）協(xié)議的USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)還涵蓋了“直接充電”。這些功能和特性都為消費(fèi)者帶來了很多便利。
常規(guī)USB PD解決方案的局限性
常規(guī)的USB PD解決方案盡管功能齊全靈活，但對于移動設(shè)備快充應(yīng)用來說，它們?nèi)源嬖谝恍┚窒扌?。它們通常沒有針對AC/DC功率變換進(jìn)行優(yōu)化，還具備一些電源適配器并不需要或不適用的功能，比如視頻和音頻模式；它們通?；贒SP或MCU，具有較高的固有控制器成本；它們需要諸多外部元件，從而導(dǎo)致較高的系統(tǒng)BOM成本；它們可能需要電源硬件工程師編寫軟件或firmware，從而導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計流程和較長的產(chǎn)品設(shè)計周期。移動設(shè)備快充，尤其是智能手機(jī)快充，占據(jù)了龐大消費(fèi)電子市場相當(dāng)份額，有必要對此應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化。
應(yīng)對功率變換的挑戰(zhàn)
除了通信協(xié)議之外，在功率變換方面，如圖2所示， 快充電源適配器設(shè)計還面臨許多挑戰(zhàn)，例如嚴(yán)格的多級恒定電壓和恒定電流（CVCC）控制調(diào)節(jié)、高效率、低待機(jī)損耗、快速動態(tài)負(fù)載響應(yīng)、高功率密度、小型化、更低的EMI/EMC、強(qiáng)大的保護(hù)功能、滿足全球各種電源標(biāo)準(zhǔn)和不同OEM的特定要求、提供很好的用戶體驗 （例如無聽覺噪聲）、實現(xiàn)大批量生產(chǎn)中成本低廉等等。其中，在高功率（45W及以上）應(yīng)用中實現(xiàn)高功率密度已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門話題。當(dāng)然，高功率密度需要更高的效率和更低的功耗；此外，它要求將各種元件尺寸做到最小，并將包括變壓器在內(nèi)的所有功率器件和元件緊湊而恰當(dāng)?shù)胤庋b到小體積的適配器外殼中，且不會出現(xiàn)過熱或其他問題。
圖2：快充電源適配器設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)
在高功率密度領(lǐng)域有多種技術(shù)和方法，例如更高的開關(guān)頻率、諧振拓?fù)?、軟開關(guān)、數(shù)字化智能控制、GaN器件的恰當(dāng)使用等。通常，對于AC/DC反激式拓?fù)?，通過開關(guān)頻率的提升可以減小變壓器的體積并降低傳導(dǎo)損耗，有助于實現(xiàn)更小的外形尺寸。但是更高的開關(guān)頻率也會帶來更高的 變壓器磁芯損耗和功率器件開關(guān)損耗。作為軟開關(guān)技術(shù)的一個重要部分，零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)可降低開關(guān)損耗并改善功率開關(guān)器件的工作條件，從而在高開關(guān)頻率運(yùn)行下實現(xiàn)良好的效率，在滿足尺寸和散熱要求的同時，使總體功率損耗保持在可接受的范圍內(nèi)。
Dialog的最新ZVS高功率密度AC/DC USB PD解決方案
Dialog致力于AC/DC功率變換技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)已超過15年。近年來，Dialog與行業(yè)合作伙伴和客戶緊密合作，在快充解決方案開發(fā)和市場培育中處于領(lǐng)先地位，發(fā)布了多代產(chǎn)品和解決方案。最近，為了滿足行業(yè)和市場需求，Dialog推出了最新的ZVS高功率密度USB PD解決方案。該方案基于iW9801和iW709芯片組，如圖3所示。
圖3：采用iW9801和iW709的ZVS高功率密度USB PD解決方案的典型應(yīng)用電路
作為一個顯著特點，該解決方案使用了具有輔助繞組和低側(cè)輔助開關(guān)（Aux. Sw）的ZVS反激式拓?fù)?。在打開主開關(guān)（Main Sw）之前，輔助開關(guān)（Aux. Sw）會短暫導(dǎo)通一小段時間，使變壓器的電感和線路中的寄生電容產(chǎn)生諧振運(yùn)行，從而降低主開關(guān)的電壓。通過Dialog的自適應(yīng)ZVS專利控制技術(shù)，在線路輸入交流電壓、輸出直流電壓和負(fù)載電流的全范圍運(yùn)行條件下為主開關(guān)創(chuàng)建一個優(yōu)化的ZVS導(dǎo)通條件。在主開關(guān)關(guān)斷時ZVS輔助繞組還部分回收了變壓器漏感上的能量，并降低了關(guān)斷損耗。與有源鉗位反激式（ACF）拓?fù)湎啾?，這種ZVS拓?fù)淇梢越档统杀荆驗樗恍枰邆?cè)驅(qū)動器和高壓輔助開關(guān)器件（通常600V或更高），而測試結(jié)果表明它可以達(dá)到與ACF拓?fù)鋷缀跬鹊男省?/div>
該解決方案將iW9801用作初級側(cè)控制器，iW709用作次級側(cè)控制器。iW9801使用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)來實現(xiàn)自適應(yīng)ZVS和其他高性能功能，適用于45W及以上功率的快充應(yīng)用。電源適配器的體積取決于滿載效率和開關(guān)頻率。為了滿足各種能效標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)在全負(fù)載范圍的高效率而不帶來聽覺噪聲等問題，iW9801采用了一種Dialog的自適應(yīng)多模式專利控制策略，在滿載和重載時采用高頻的PWM模式，從重載到輕載開關(guān)頻率則相應(yīng)降低，其調(diào)制方式依次為PWM、PFM、DPWM（Deep PWM）和Burst模式。iW9801內(nèi)置了主開關(guān)和輔助開關(guān)的驅(qū)動器。其自適應(yīng)ZVS 根據(jù)適配器實時運(yùn)行信息，采用準(zhǔn)確的數(shù)字算法，逐個開關(guān)周期動態(tài)地調(diào)整ZVS控制時序。因此，無論輸入輸出電壓及負(fù)載如何變化或者更換何種主MOSFET，自適應(yīng)ZVS都可以靈活應(yīng)對，并保證ZVS的優(yōu)化實現(xiàn)，從而大大降低開關(guān)損耗并可實現(xiàn)較低的EMI。在上述功能基礎(chǔ)上iW9801還提供了一系列內(nèi)置的強(qiáng)大保護(hù)功能。
iW709集成了三種次級側(cè)的控制功能：USB PD 3.0協(xié)議支持、MOSFET同步整流器（SR）的驅(qū)動控制、反激式拓?fù)浯渭墏?cè)調(diào)節(jié)（SSR）。iW709已通過USB-IF 對PD3.0 （含 PPS）的權(quán)威認(rèn)證測試，實現(xiàn)了以精細(xì)的步長（20mV /步、50mA /步）支持3.3V至21V寬范圍輸出。iW709協(xié)議功能同時支持高通Quick Charge QC4+，針對快充電源的要求和特性進(jìn)行了優(yōu)化，并集成了USB VBUS開關(guān)驅(qū)動控制，為外部設(shè)備提供保護(hù)。iW709的SR控制單元針對高頻應(yīng)用優(yōu)化了SR MOSFET開/關(guān)時序，并使用專利技術(shù)針對ZVS或ACF進(jìn)行實時優(yōu)化控制。它具有自適應(yīng)的驅(qū)動電壓，可以保證快速的關(guān)斷，從而對CCM控制提供更好的支持。它的智能化精準(zhǔn)電壓檢測可以防止同步整流管誤導(dǎo)通。自適應(yīng)時序控制使芯片應(yīng)用于更寬的頻率范圍，接受更大的系統(tǒng)容差。在電壓電流閉環(huán)控制方面，iW9801/iW709芯片組能以非常精細(xì)的步長實現(xiàn)準(zhǔn)確的多級電壓電流CVCC調(diào)節(jié)，并在典型的45W設(shè)計中滿足低于20mW的空載待機(jī)損耗要求。借助芯片內(nèi)置的SSR數(shù)字補(bǔ)償，該芯片組消除了對外部環(huán)路補(bǔ)償元件的需求，同時在所有工作條件下保持穩(wěn)定性。
與常規(guī)的USB PD控制器相比，iW709特別針對AC/DC功率變換進(jìn)行了優(yōu)化， 包括：
● 專門為便攜式電源適配器應(yīng)用進(jìn)行了簡化設(shè)計，去掉了電源不適用或不需要的功能（例如：視頻和音頻模式）。
● 使用基于狀態(tài)機(jī)的數(shù)字邏輯，并進(jìn)行了優(yōu)化處理，降低了自身成本。
● 需要較少的外部元件和系統(tǒng)BOM成本。
● 無需編寫軟件或firmware，簡化了系統(tǒng)設(shè)計流程，加快了產(chǎn)品設(shè)計周期。
圖4顯示了一個采用iW9801/iW709解決方案的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計樣品照片。它完全支持PD3.0協(xié)議以及PPS，包含多種輸出：5V3A、9V3A、15V3A、20V3A、20V3.25A、15V_prog（3.3V-16V/3A）和20V_prog（3.3V-21V/3A）。對于15V輸出，在115V AC下測得的滿載效率為93.23％，在230V AC下測得為94.02％；對于20V輸出，在115V AC下測得的滿載效率為93.08％，在230V AC下測得為93.93％。該65W設(shè)計使用Silicon MOSFET 作為功率開關(guān)器件，全部元器件裝在單塊PCB上，并已經(jīng)過全面測試，滿足所有電氣、散熱和安全要求。
圖4：采用了 iW9801和iW709的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計樣品照片
除了支持高功率（45W及以上）及高功率密度的基于iW9801的ZVS解決方案之外，Dialog還推出了以iW9809為初級側(cè)控制器的準(zhǔn)諧振（QR）解決方案，目標(biāo)應(yīng)用是低成本低功率（40W及以下）的場合（圖5）。iW9809控制反激式電路中的單個功率開關(guān)，不使用ZVS輔助開關(guān)。它的準(zhǔn)諧振方式采用Dialog的恒定開關(guān)頻率QR專利技術(shù)，與自適應(yīng)多模式開關(guān)調(diào)制策略（PWM、PFM、 DPWM和Burst）無縫對接共同運(yùn)行，可為目標(biāo)應(yīng)用實現(xiàn)最佳的尺寸、高效率、低EMI共模噪聲和低聽覺噪聲等良好性能。與iW9801相似，iW9809可以與iW709配合使用，實現(xiàn)優(yōu)化的低成本USB PD解決方案，同時空載待機(jī)損耗低于20mW。
圖5：采用iW9809和iW709的低成本USB PD 解決方案典型應(yīng)用電路圖
小結(jié)
當(dāng)前，AD/DC快充領(lǐng)域正迅速地向高功率等級、高功率密度、小型化、全面支持多種通訊協(xié)議（包括USB PD）、高性能、低成本等方向發(fā)展。本文探討了一些相關(guān)的發(fā)展趨勢、關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，并介紹了Dialog最新的基于iW9801和iW709芯片組的ZVS高功率密度USB PD解決方案。沿著這個方向，在業(yè)界人士不懈努力不斷創(chuàng)新中，下一代的快充技術(shù)必將更上一個臺階，以更優(yōu)異的產(chǎn)品和方案滿足廣大消費(fèi)者的需求。
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