關于移動設備快充的方法的分析和應用

移動設備智能化以后，能力越來越高，使用越來越頻繁，耗電量大增，為保持其足夠的使用時間，電池容量不斷加大，加快充電速度就變成了自然的要求，而這唯有通過加大充電電流才能實現(xiàn)。

由于充電接口都匯總到USB接口上了，現(xiàn)在的智能設備中由充電電路提供給電池的電流都來自于USB端口。傳統(tǒng)的USB標準接口要實現(xiàn)快充并不容易，5V電壓，實現(xiàn)設備枚舉以后的最大電流為500mA，算下來也就是2.5W的功率。USB 3.0規(guī)范將電流數(shù)據(jù)提高到了900mA，傳輸?shù)墓β室簿褪?.5W，仍然很小。專門用于充電的USB設備容許充電電流高達1.5A（7.5W），但是它們沒有通訊的能力，這是USB-IF制訂的BC1.2規(guī)范確定的。

可不可以在普通的USB接口上直接通過更大的電流呢？這個問題看起來簡單，實際上行不通。如果設備吸入了超過規(guī)范規(guī)定的電流，它在實施USB設備認證時就通不過，不能實際上市銷售。接口電纜、連接器都存在電阻，較大的電流通過時會形成電壓降，而USB規(guī)范對到達接收端的電壓范圍是有規(guī)定的，任意增大的電流形成的電壓降會使到達接收端的電壓不在容許范圍內，而這又不能通過提高供電端的電壓來解決，因為它也必須在規(guī)范所定義的范圍內。即使你全不考慮規(guī)范的符合問題，電流增大以后所形成的熱問題也可能帶來安全隱患，最后可能讓你傾家蕩產也賠不起。

智能手機方案的設計者解決這個問題的辦法是提高電壓，電流還是維持在原來的數(shù)據(jù)上，但功率卻是自然地提高了，這就有了高通的QC(Quick Charge)和聯(lián)發(fā)科的PE(Pump Express)。高電壓進入手機以后，必須以極高的效率轉換為低電壓才能為電池所用，這就是Buck架構充電IC發(fā)揮作用的時候了：

Buck加快充電速度的方法依靠的就是它的電流放大作用，而高電壓則不會出現(xiàn)在電池上，避免了安全問題，效率還很高，熱問題也比較小，唯一的壞處就是元件數(shù)量要比線性充電方式的多。

如果可以對USB接口所涉及到的電纜、連接器都做出改變，充電器也能修改成可以根據(jù)需要隨時調整其輸出電壓和電流限制的樣式，我們也可以用大電流對手機進行直接的充電，這時候就連Buck這一轉換環(huán)節(jié)也可以省略掉而變成直接對電池充電了，這也就是現(xiàn)在流行的直充，其在手機中的電路架構是下圖所示的樣子：

如上圖，通過在Buck之外另外添加了一個開關通道，開關接通以后，電池和Vin就直接連接起來了。假如這條通道的電阻為0，上面就不會有壓差存在，因而也不存在消耗，來自電源的電能能夠全部進入電池，多余的發(fā)熱是一點也不會有的，對改善充電效果有很大的幫助。

很顯然，這樣的充電系統(tǒng)要求受電設備與供電設備之間具有通訊能力，這樣它們才能交流相互之間的狀況，讓供電設備能夠自動根據(jù)需要提供合適的電壓和電流限制，而這一切在USB Type-C接口及其上運行的PD協(xié)議上就得到了實現(xiàn)。

一個開關絕對是最簡單的結構，但其實現(xiàn)其實并不簡單，萬一失控了怎么辦？它必須能在任何情況下都能確保其負載即電池的安全。

如上圖所示，RT9750是立锜根據(jù)直充應用的需要為市場提供的電子開關，它可以通過最大6A的電流為電池充電。拋開那些實現(xiàn)系統(tǒng)連接的電路部分不看，剩下的電路極其簡化，但IC內部卻很復雜，下面是它的內部框圖：

實現(xiàn)輸入VBUS和輸出VOUT連接的是兩個MOSFET開關，它們的背對背連接可以避免關斷時不希望出現(xiàn)的電流流動。這兩只開關上面的部分是電源獲取電路，它們可以在VBUS、VOUT中任何一個端子有電時獲取芯片工作所需要的電源?？驁D的下部是多個取樣電路，它們把電路各處的信號取樣以后送入12位的A/D轉換器，以便讓核心部分能隨時知道各處的狀況，一旦有問題，核心控制部分就會啟動保護電路實施保護動作，確保充電安全。

當我們的心中只有電池管理的時候，常常會忽略了接口部分的安全，但有的問題就會在接口上發(fā)生。

電源接口常常出現(xiàn)的是瞬態(tài)電流帶來的高電壓，在示波器上看就是一段時間內的振蕩著的電壓波形，幅度卻特別高，因此，實際中的充電IC都必須對此進行防護，需要具備足夠高的耐壓能力，RT9750的VBUS和VOUT端都可以承受22V的電壓而不會損壞。

當USB接口上出現(xiàn)短路狀況的時候，來自供電端的電流到了受電端接口以后就返回去了，受電端內部完全看不到，如果雙方之間沒有交流電流信息，這一問題是很難被發(fā)現(xiàn)的。這樣的問題很容易造成連接端口發(fā)熱、碳化甚至是燃燒，而RT9750在設計上就特別考慮到了這個問題，用戶可以使用它的溫度測量功能對端口的這類問題進行防范，這樣的設計與單純只是看電池溫度的設計是不一樣的。

常常與RT9750一起出現(xiàn)在應用中的產品是RT9466，一款性能強大的Buck架構充電IC，輸出電流能力為5A，具有電源路徑管理能力，可在任何情況下保障系統(tǒng)可以處于工作狀態(tài)（只要有電就行）。其輸入電壓范圍為4V-14V，最高可以承受22V高電壓沖擊而不會損壞，支持聯(lián)發(fā)科的PE快充標準，必要時可以讓它工作在Boost模式以支持USB OTG設備應用。下圖是RT9466的應用電路圖：

為什么有了直充模式以后還要保留Buck模式呢？這個問題其實非常簡單，畢竟標準的USB接口是5V供電的，上面所說的RT9750這樣的直通開關并未加入電壓變換的功能，我們還需要Buck在這樣的情況下去完成充電功能，同時使用RT9466的設備還有支持聯(lián)發(fā)科PE標準的能力，而這樣的充電器在市場上是比比皆是，因而使用RT9466就可以為設備帶來普遍的適用性。