移動充電革命：實(shí)現(xiàn)小尺寸與最佳額定功率

您使用便攜式設(shè)備時(shí)遇到的最大麻煩是什么? 市場調(diào)查表面：電池循環(huán)時(shí)間(即兩次充電之間的時(shí)間長度)是便攜式設(shè)備用戶最希望改進(jìn)的方面。但是，用戶的煩惱似乎無法輕易減輕，因?yàn)楸銛y式設(shè)備制造過程所涉及的部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素(例如更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更強(qiáng)大的移動處理器)只會加快電池的耗盡速度，加重電池循環(huán)時(shí)間的缺陷。最近，市場上已推出屏幕尺寸為4.3英寸和4.7英寸、屏幕分辨率為720p的便攜式設(shè)備，部分屏幕尺寸甚至達(dá)到5英寸。與早期尺寸較小且分辨率較低的屏幕相比，這些顯示器需要更多電量才能使LCD屏幕維持令人滿意的亮度級別。下表顯示了近幾年屏幕分辨率的發(fā)展。

智能手機(jī)的屏幕分辨率

DisplaySearch公司進(jìn)行的另一項(xiàng)調(diào)查也表明：移動設(shè)備的屏幕分辨率持續(xù)提高。圖1顯示了2010年像素密度在200 ppi以上的移動設(shè)備的份額僅為22%。到2015年，此份額將上升至 50%，2018年將進(jìn)一步達(dá)到55%。

圖1：市場份額(按屏幕像素密度)

我們可以看到移動處理器也遇到了同樣的問題。在很短的時(shí)間內(nèi)，處理器已從單核架構(gòu)過渡到四核架構(gòu)。雖然當(dāng)今的CPU采用高級處理技術(shù)，但功耗仍持續(xù) 增加。當(dāng)然，LCD屏幕和處理器并不是導(dǎo)致功耗增加的唯一因素。如果考慮所有可能因素，則在追逐“Mobile Everywhere”(移動無處不在)的趨勢下，便攜式設(shè)備的電池容量需求將不可避免地升高。這似乎成了最終用戶減輕電池循環(huán)時(shí)間煩惱的最簡單方法。

增加電池容量看似容易，但會導(dǎo)致許多問題，充電器的最佳額定功率便是有待解決的因素之一。長久以來，USB充電器標(biāo)準(zhǔn)促使制造商將5 V/1 A功率格式廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)充電器。由于電池容量的趨勢是從當(dāng)前的1800 mAh增加到3500 mAh，未來可能更高，因此5 V/1 A充電器明顯不足。使用目前的5 V/1 A格式充電器為較大的電池充電時(shí)，等待過程會使用戶抓狂。另外，在拼命延長電池循環(huán)時(shí)間的同時(shí)會產(chǎn)生另一個問題：散熱。制造商面臨的巨大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是大功率 充電器的高溫問題。用1 A的電流給2000 mAh以上的電池充電將產(chǎn)生高溫，因?yàn)槌潆娖鞅３秩?fù)載時(shí)間更長，長期產(chǎn)生的熱量將使充電器外殼的溫度升高?？紤]到以上問題，充電器行業(yè)如何才能打破更大 電池容量的瓶頸呢?

要在合理的時(shí)間內(nèi)將容量更大的電池充滿電，制造商可采用的最簡單方法就是增加充電器的額定功率。根據(jù) USB標(biāo)準(zhǔn)的5 V輸出，部分制造商選擇將工作電流從1 A增加到2 A或3 A 以縮短充電時(shí)間;其他制造商則選擇增加工作電壓以提高效率。雖然業(yè)界看似沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但至少目前仍有一些適用的基本準(zhǔn)則。為了省電，業(yè)界對便攜充電器 設(shè)計(jì)始終具有一些基本的“必需”要求，例如高度緊湊的充電器尺寸(假如是設(shè)計(jì)用于移動設(shè)備)和較低的待機(jī)功耗。最為重要的是，任何新的、更強(qiáng)大的充電器必 須兼顧安全性和功能。如果滿足了所有這些要求，我們相信最終用戶樂于見到安全高效的充電器，也就是能夠提供充足充電能力且額定功率超出當(dāng)前USB充電器標(biāo) 準(zhǔn)的充電器。

充分發(fā)揮微型充電器的充電能力并不是件容易的事，但在累積了多年的充電器解決方案開發(fā)經(jīng)驗(yàn)之后，業(yè)界已經(jīng)有一些方向可以遵循。

要保持高度緊湊的充電器尺寸，至關(guān)重要的環(huán)節(jié)是變壓器選擇。如果我們要順應(yīng)充電器尺寸不斷縮小的趨勢，則需要具有較高開關(guān)頻率的PWM控制器。工作頻率相 對較高(例如 85 kHz)的PWM控制器可讓您選擇尺寸較小的變壓器(約為控制器工作頻率為50kHz時(shí)所需的變壓器尺寸的三分之一)。目前，工作頻率為140 kHz的PWM控制器已經(jīng)上市，制造商能夠進(jìn)一步縮小變壓器的尺寸。下面的圖2顯示了用于5 W/50 kHz充電器的變壓器(左邊)與用于5 W/85 kHz充電器的變壓器(右邊)的尺寸對比。

圖2：工作頻率為50 kHz的變壓器(左邊)與工作頻率為85 kHz(右邊)的變壓器的尺寸差別。

● 下一個設(shè)計(jì)考慮因素是效率。要充分發(fā)揮微型充電器的充電能力，效率顯然是個關(guān)鍵問題，因?yàn)檫@直接影響發(fā)熱量。AC-DC轉(zhuǎn)換導(dǎo)致產(chǎn)生一定程度的功率損耗是 相當(dāng)常見的情況，如果所有損耗均符合同一個比率，則增加額定功率甚至?xí)a(chǎn)生更多熱損耗。這意味著如果希望保持較小的充電器尺寸，同時(shí)希望將額定功率翻倍或 提高更多倍，您需要做的第一件事就是提高效率。要提高效率，您必須了解產(chǎn)生功率損耗的所有因素。最為重要的是，充電器尺寸和系統(tǒng)效率必須保持平衡。如果只 想縮小充電器的尺寸，并且選擇了具有極高開關(guān)頻率的PWM IC，開關(guān)損耗將大幅度增加，并為設(shè)計(jì)人員帶來難題。如果提高了工作頻率，您將會發(fā)現(xiàn)：如果不為系統(tǒng)選擇性能更高的元器件(例如具有較低Rds(on)的MOSFET和具有較低正向壓降的整流器二極管等)， 則通常難以重獲效率。簡而言之，由于尺寸仍然重要，當(dāng)您嘗試增加額定功率時(shí)，效率便是最關(guān)鍵的考慮因素。對于PWM IC本身，為了提高效率，目前部分PSR PWM控制器在邊界導(dǎo)通模式(BCM)下工作，以取代當(dāng)前最常用的非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)控制器。使用這些BCM控制器是我們應(yīng)當(dāng)考慮的一個途徑。

● 如USB充電器標(biāo)準(zhǔn)所定義的，移動充電器一直實(shí)施5 V的充電電壓。如果您想定義的是以2 A或3 A作為工作電流并面向較高額定功率的5 V充電器，則需要考慮的下一個主題將是動態(tài)響應(yīng)。目前，大多數(shù)移動充電器采用5 V/1 A規(guī)格。對于5 V/1 A規(guī)格的充電器，為防止因漏電流突然從零負(fù)載切換到半負(fù)載或全負(fù)載而導(dǎo)致發(fā)生充電故障，USB充電器標(biāo)準(zhǔn)已明確定義壓降。從根本上說，如果輸出電壓維持在 5 V，則輸出電流越大，壓降的幅度也越大。原因是絕對漏電流(無論是介于零負(fù)載到半負(fù)載之間還是介于零負(fù)載到全負(fù)載之間)將變大，進(jìn)而導(dǎo)致輸出壓降。從這個觀點(diǎn)來看，傳統(tǒng)的PSR PWM可能難以實(shí)施，制造商可以改用SSR PWM，因?yàn)楹笳呔哂谐錾男阅堋?/p>

● 如果充電器從5 V/1 A轉(zhuǎn)變?yōu)? V/2 A或5 V/3 A，USB電纜上的功率損耗只會讓壓降變得更嚴(yán)重。如果希望將輸出電壓保持在5 V，則需要認(rèn)真考慮電纜上的壓降，并謹(jǐn)記有些電纜可能未通過USB認(rèn)證。選擇具有較低損耗水平的特定輸出線可能是一個解決方案。另外應(yīng)清楚：如果輸出線連 接到與5 V/1 A版本相同的5 V/2 A或5 V/3 A充電器，輸出壓降會延長充電時(shí)間。這將稍微抵銷增加額定功率帶來的益處。

● 最后一個考慮因素是待機(jī)功耗。長久以來，零負(fù)載下30 mW的待機(jī)功率一直被視為移動充電器約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)，即使在需要更高額定功率的時(shí)候，制造商也必須堅(jiān)持30 mW的標(biāo)準(zhǔn)。雖然輸出功率已翻倍甚至增至三倍，但業(yè)內(nèi)部分制造商希望待機(jī)功率下降至10 mW或甚至接近0 mW。要設(shè)計(jì)具有極低待機(jī)功率的充電器，最通用的解決方案是嘗試使用外部電路或附加設(shè)備來使外部電路斷路或強(qiáng)制IC本身進(jìn)入睡眠模式，但這些方法同時(shí)也會 提高設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，增加元器件數(shù)量和電路板尺寸。對于充電器應(yīng)用，我們建議選擇具備創(chuàng)新的綠色模式或突發(fā)模式控制功能的PWM控制器。這有助于設(shè)計(jì)具有較 小電路板尺寸和較低BOM成本的低待機(jī)功耗解決方案。

現(xiàn)在，電源行業(yè)將經(jīng)歷一場革命，以便滿足便攜式設(shè)備對更長電池循環(huán)時(shí)間和更大充電能力的需求。制造商的任務(wù)是在安全級別更高且待機(jī)功率更低的條件下充分發(fā)揮微型充電器的充電能力，而這場革命正是由這項(xiàng)挑戰(zhàn)推動的。