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网王之暗度陈仓:USB—C升降压电池充电器芯片探讨

时间: 2019-01-19阅读:

USB-C正颠覆现有的USB技术

USB-Ci在升温。2015年4月,苹果推出了具有USB-C接口的12寸的MacBook,与之前的电脑不一样的地方在于只有一个接口,就可以实现USB接口的所有功能,这就是USB-C接口。除此之外,USB-C接口还有很多新的功能,例如快充、轻薄短小,这使得苹果的12寸MacBook比前代产品轻薄更多。Intel在2015年9月1日发布Skylake第6代酷睿处理器,其所注重的也是能够让电子设备更轻薄、更快唤醒和更长电池续航时间,在此互动之下,超极本、平板电脑、移动电源等越来越多的电子产品开始采用USB-C连接器。

这时,传统的降压充电方法不灵了,需要“升压一降压”充电。为此,Intersil不久前推出业内首款支持双向输电的单芯片ISL9237。Intersil市场营销与应用总监魏佳分析道,从传统的A/B接口变成新的USB-C接口时,在电源管理上会有很大改变。现在的电子设备通常会有两大类,一类是电池由好几节串起来的,典型的产品诸如笔记本电脑,其电池可能是两节、三节甚至四节,但通常都是锂电池串起来。因为一节电池充满的时候,电压通常会在4.3V,为了给所有电池充电,通常笔记本电脑的电源是20V DC,因此DC电源的电压永远比电池电压高,那么在进行充电时,只需要使用一种降压技术就可以充电,在电路上,一种降压技术就可以来达到此目的。

对于手机及绝大多数平板电脑等功率较低的电子设备,它们都是用一节锂电池,一节锂电池的最高电压只有4.3V,其非常适合传统的USB A和B这两种充电方法。因为USB口的电压是5V,5V高于4.3V。所以用降压充电的方法就可以实现了。

综上所述,两类不同的产品——多节电池和一节电池的产品,从电池充电的技术上来看,本质上没有任何区别,都是降压充电,即Buck电路就可以实现。

但是随着新的USB-C接口的出现,情况不同了。USB-C的目的是为了达到一个接口可以连接所有电子产品。这意味着所有的笔记本电脑和手机、平板电脑,全部采用USB-C接口,那么USB-C接口就可能有各种各样的电压,因此USB-C的电压不再是一个传统的5V,它因为要向前兼容,所以它一定有5V,USB-C同时可以把电压调节到最高到20V和5A,且100W的台自力。如图1,右侧部分,左边的电源是用来充电的电压,它是5V~20V。右边是被充的电池电压,也有多种可能性电压。换句话,已经不存在一个固定的电源电压高于电池电压这种关系。这很麻烦,因为先前的市场没有一个能够升压一降压的充电器。需要新的解决方案。

为此,为Intel处理器配电的Intersil公司近日推出了ISL9237芯片,魏佳称其堪称业内第一款给大众客户使用的UsB-C充电方案,电压输入范围3.2~23.4V。“Ontersil的单芯片窄范围VDC(NVDC)电池充电器解决方案和竞争对手相比,可减少一个升压器IC和电感,帮助客户节省物料成本多达40%。”另外,ISL9237利用Intersil的R3调制专利技术,实现无噪声运行、高的轻负载效率和超快瞬态响应,以延长电池续航时间。

解决嗡嗡声的调制技术

Intersil有一个王牌的专利技术R3开关电源调制技术,这次也应用于升/降压充电过程中。R3是0ntersil大约十年前开发出来的,最早应用在给Intel CPU和AMD CPU供电中。这种调制技术的重要特点是瞬态响应较好,轻负载效率较高,可以延长电池续航时间。但是在现在这个升降压领域内,有个更重要的指标,大家更关注的是被称为AcousticNoise声噪问题。这种声音就是你拿个电子设备在耳朵边,能听到嗡嗡声,像小蚊子哼一样,它的产生是因为正传送能量的过程之中,由瓷片电容引起的,瓷片电容有电流进出的时候,会引发机械震动,这种机械的震动如果正好是在音频20 kHz以下,入耳能够听见。但是过去这是一件小事,因为电子设备通常有风扇,可能把这个声音湮没掉,但是现在的产品很多是无风扇的,所以这个声音引起了重视。Intersil的R3解决了此问题,“应该说在电池充电领域里,我们可能是唯一一家能够提供这种技术的厂商。”魏佳说,“其他做电池充电技术的厂商,可能都遇到这个问题。解决起来很麻烦,不得不采用很多增加产品成本的方法来解决它。”

具体地,引起嗡嗡声的是开关电源,开关电源通常开关频率比较高,经常是1MHz或几百kHz的频率,这样的频率,我们的耳朵是听不见的。但是现在因为大家都想电池要续航时间长,因此电压输出较高的时候,就要降低开关频率的频率,问题是在系统负载不是很大的时候,开关频率会变得很低,当这个频率低到20 kHz以下的时候,人的耳朵就可以听见了。这时候重要的是要保证在每一个开关周期传输的能量尽量小。因为人耳能听见这个噪声,每一个开关频率送过来的能量,最终引发瓷片电容机械振动,这个能量如果过大,就会听到。

这就牵扯到R3调制技术。Intersil的做法就是在开关频率降低的时候,把整个能量的传输均匀地分布到每一个开关周期上去。这样每一个周期里传输的能量就是最小的。

而一家竞争对手的做法是采用BurstMode(触发模式)。这种调制的局限会造成噪音问题。因为其方法是连续几个周期打几个Pulse(脉冲)传能量,然后歇上一阵子,再连续打几个Pulse传能量,再歇一阵子。问题就在于打几个Pulse的时候,相当于一次性送过去一个较大的能量,就造成了瓷片电容嗡嗡叫。

当然,对嗡嗡声也是有解决办法的。最简单的解决办法,因为瓷片电容有声音,干脆不用瓷片电容,用较贵的其他电容代替。还有一种方法是堆上多个其他的不同的电容来做,但是尺寸又变大了。

快充使USB-C流行起来

USB口要从5V变到USB-C口的原因之一,是可以升到20V,这样可以实现快充。USB线现在最常见的问题是电流是有限制的,通常是2A,最多3A。现在的USB口只有5V,就算3A的线,也就只有15W充电的速度,这对于比较大的电池来说,充电时间的确会较长。所以在USB-C的架构下面,把USB口的电压从5V升到20V。就算还是用3A线,这时候有60W的充电功率,就相当于把充电速度提高到4倍。“充电速度快很重要。因为现在的电子设备电池容量越做越大,手机的续航时间越来越久,但是带来的充电挑战会越来越大。”但这引起的另一个挑战是,如果是5V充电,原来要升压充电,但是把这种USB头的电压改成20V以后,就需要降压充电,这也是为什么需要一个新的充电模式的原因。

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