關(guān)于大電流的沖擊波的介紹和研究

4月份參加了電子發(fā)燒友網(wǎng)組織的“Type-C&快充技術(shù)論壇”，談了USB Type-C接口和USB PD應(yīng)用中的安全問題，本號上期發(fā)表的文章“USB PD應(yīng)用中的安全設(shè)計”也被幾乎全文不動地轉(zhuǎn)載在他們的網(wǎng)站上了，真的非常感激他們的看重。其實在演講與寫作之間是有很大的不同的，即使是同一個話題，其表達(dá)方法不一樣，呈現(xiàn)的內(nèi)容也有不同，所以，有個朋友就拿著我的演講文稿對著文章來閱讀，說這樣感覺很好。對于這樣的欣賞，我心懷感激。

USB Type-C和PD協(xié)議的應(yīng)用給USB接口所帶來的變化，最顯著的就是傳輸功率的能力大大提高了，最高達(dá)到了100W，這是通過提高電壓至20V、提高電流至5A來實現(xiàn)的，但如果離開了PD協(xié)議，Type-C接口能夠容許的最大傳輸能力就是5V3A，即15W?？纯船F(xiàn)在市場上被普遍推崇的快充，動輒幾十W的功率，再考慮到USB接口的普遍性，你就知道PD協(xié)議在這個市場上最終被廣泛接納是很容易理解的了，這估計是最初定義USB規(guī)格的人們當(dāng)時也想不到的。再看看比USB PD這個概念先熱起來的無線電力傳輸，到了今天仍在艱難推廣，人們都把它能廣泛使用的機(jī)會放在某些大牌廠商的使用上，但是看看它的指標(biāo)其實就能理解它不被熱捧的原因：最初的Qi標(biāo)準(zhǔn)低功率傳輸最大功率是5W，后來力推的中功率也就是十幾W，再加上比較大的空間占用、比較低的效率，與現(xiàn)在主流的智能手機(jī)的需求顯然是有一些矛盾的。實際上，對于移動設(shè)備來說，無線電力傳輸要解決的是充電的方便性問題，當(dāng)USB Type-C接口已經(jīng)大大方便了連接過程的時候，無線連接帶來的方便性的好處便有所降低了，相關(guān)的應(yīng)用者應(yīng)當(dāng)對其應(yīng)用場景做出更多一些的思考。

談?wù)摪踩缘臅r候，我們會比較多地關(guān)注電壓提高所帶來的問題，因為它所帶來的影響非常直接，所有不能承受高壓的器件一旦接觸到超過其耐受能力的電壓，損傷損害的發(fā)生是一瞬間的事情（實際上也有個過程，而且很重要），這個問題我曾經(jīng)談過，關(guān)心的讀者可在歷史消息中尋找關(guān)于EOS問題的文章來閱讀了解。與高壓對應(yīng)的另一個角度是大電流，它也會帶來問題，但相對來說，其影響通常不是那么大。如果大電流所造成的影響能夠馬上被發(fā)現(xiàn)，這種問題通常在設(shè)計過程中就會被修正，而其他的一些問題常常要用一定的時間積累來呈現(xiàn)，因而就降低了問題的緊迫性。

電流形成的過程是電子在電場力的作用下在導(dǎo)體中的移動過程，這些電子并不能毫無阻礙地直線前進(jìn)，它們只能在一個個緊緊相鄰的原子之間跳動，每一顆原子都在盡力要將這些電子留住，這就形成了阻力，也就是我們說的電阻。電場力驅(qū)動電子克服阻力前進(jìn)的過程需要做功，這些功又轉(zhuǎn)化為熱量，因而導(dǎo)體的溫度會升高，當(dāng)其溫度比周邊環(huán)境溫度高的時候，熱量就會向周邊傳遞，這時候我們就說它發(fā)熱了。我們都知道電流流過電阻所消耗的功率為P = R*I^2，所以電流越大，導(dǎo)體上的功率消耗也越大，發(fā)熱量也越高，溫升也越大。一般金屬的電阻都會隨著溫度的升高而加大，所以電流加大所導(dǎo)致的發(fā)熱量的增加是很厲害的，它會逐漸惡化，如果包覆導(dǎo)體的材料是塑料之類的，這些材料就很容易老化變硬，這樣又更容易在使用中受損。

電流流過電纜所形成的電壓降也是個問題，其值等于R*I。因為這個原因，當(dāng)兩臺設(shè)備通過USB連接電纜連接起來的時候，供電端的電壓和受電端的電壓是不等的。以5V電源為例，它的電壓精度指標(biāo)可能是5V±5%，但在經(jīng)過電纜以后，由于電壓降的影響，實際的電壓可能已經(jīng)低了很多，有的設(shè)備所用器件的工作電壓范圍如果太窄，就不能正常工作了，所以USB的規(guī)范會規(guī)定必須的電壓范圍如5V±0.5V，這樣就給電纜留下了250mV的壓降空間，只要利用已經(jīng)知道的最大通過電流，就能得到容許的最大電纜阻抗，電纜線材的選擇就有了依據(jù)。當(dāng)然了，這樣選擇的時候還要為連接部分的接觸電阻留下空間，這是我們在將問題進(jìn)一步深入的時候需要考慮的。

大電流對器件的設(shè)計也會帶來影響。我們采用小電流對鋰離子電池進(jìn)行充電的時候，一般都是采用線性充電器件，器件封裝也可以比較小。

上圖所示的是RT9527的典型應(yīng)用電路圖，它是一款充電電流設(shè)定范圍為10mA~600mA的線性充電IC，可在4.4V~6V輸入范圍內(nèi)工作，最高可以承受28V的電壓沖擊。由于它的預(yù)充電壓閾值（電池電壓在此電壓以下時，它以預(yù)充電電流對電池進(jìn)行充電）為2.8V，所以它的最大功耗為(6V – 2.8V) * 0.6A = 1.92W，因而它采用了最大功率耗散能力為2.19W的WDFN封裝，下圖是它的封裝引腳定義圖：

從中可以看到它的外圍尺寸只有2mmX2mm，可以說是非常小的，很適合用在小型設(shè)備當(dāng)中。從引腳圖中可以看到它有一個TS端子，只要外接上合適的熱敏電阻，就可以在電池溫度過高或過低時暫時停止充電過程以確保安全。如果因充電電流過大而造成IC自身溫度過高，充電電流也會自動降低以確保安全，下圖就是這種自我保護(hù)機(jī)制中的電流與溫度之間的關(guān)系圖：

在這樣的應(yīng)用中，電流不算太大，所以，充電IC在測量電池電壓的時候是直接在它的輸出端子BAT端進(jìn)行的，內(nèi)部也不會對此電流所造成的路徑壓降進(jìn)行補(bǔ)償，因而芯片的設(shè)計就會比較簡單，下圖是它的內(nèi)部電路框圖，可供有興趣者參考。

當(dāng)快速充電應(yīng)用出現(xiàn)以后，線性電路架構(gòu)基本上就沒有應(yīng)用的機(jī)會了，因為大電流所帶來的影響將在很多方面體現(xiàn)出來。先來看一個數(shù)據(jù)，如果上面所述的電壓參數(shù)都不變，我們直接將充電電流調(diào)整到3A，那么最壞情況下的電路功率消耗就變成 (6V – 2.8V) * 3A = 9.6W，這樣的功耗將沒有哪一個便攜式設(shè)備可以承受，可供選用的器件封裝也變成了難題，因而就必須將實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的電路架構(gòu)改為開關(guān)模式，于是我們就有了類似下圖這樣的應(yīng)用電路圖：

此圖截取自RT9466的規(guī)格書，電路還是非常簡潔，但從外部電源輸入端到轉(zhuǎn)換器的輸出端之間已經(jīng)是Buck架構(gòu)，它可以最大5A的電流對電池進(jìn)行充電。該轉(zhuǎn)換器的輸出可以直接為系統(tǒng)供電，同時又在IC的內(nèi)部增加了一個可控的開關(guān)，由它來決定電池要不要接入電路中以及要在何時接入，而這一切也都是可控的，IC內(nèi)部有大量的寄存器可以用于類似這樣的控制目的，系統(tǒng)控制器可以根據(jù)自己的需要通過I2C接口對所有的過程和參數(shù)進(jìn)行操控，從而得到一個符合自己需要的電池管理系統(tǒng)。借助Buck架構(gòu)的挹注，該器件的輸入電壓范圍可在4V~14V之間變化，輸入電流被Buck架構(gòu)特有的電流放大能力自動放大，在降低了功耗的同時，也實現(xiàn)了充電過程的加速。

在大電流充電過程中，從BAT端到電池的路徑上會存在電阻，而且在不同的設(shè)計中表現(xiàn)出不同的參數(shù)，這將在充電過程中造成恒流充電過程時間縮短、恒壓充電過程時間延長并因而使快充的目的不能很好地實現(xiàn)。為了彌補(bǔ)這樣的缺憾，RT9466內(nèi)部含有IR補(bǔ)償功能，用戶只需將實際的線路阻抗參數(shù)R提供給它，它就能自動消除這一影響。納入了IR補(bǔ)償?shù)某潆娗€與常規(guī)的充電曲線是不一樣的，下圖是對它的形象化說明：

如果沒有加入IR壓降補(bǔ)償功能，實際的充電過程曲線就會是這樣的：

讀者可以從上述兩圖中電壓、電流曲線和充電時間的差異上來對此進(jìn)行理解。

當(dāng)采用線性充電電路的時候，充電電路的輸入電流和輸出電流之間是基本相等的，差異的部分是由IC的消耗造成的，這基本上可以忽略不計。改用以開關(guān)模式工作的電路以后，充電電路的輸出電流和輸入電流之間通常會有巨大的差異，如果一切都是理想的，我們對這些差異可以不予理睬，但現(xiàn)實都是有局限的，我們不得不對這些差異所帶來的影響進(jìn)行評估，這樣就會引入一些全新的概念，如MIVR（最低輸入電壓調(diào)節(jié)）、AICR（平均輸入電流調(diào)節(jié)）等，這都是為了系統(tǒng)的安全或是為了滿足一些標(biāo)準(zhǔn)的限制而設(shè)定的。

以我的經(jīng)驗來看，大部分的電子工程師對電壓的感覺會好于對電流的感覺，這可能與實際測量中比較容易看到電壓信息有關(guān)。對電流沒感覺，比較直觀的表現(xiàn)是在PCB設(shè)計上出問題，我過去常?？吹揭虼硕荒苷９ぷ鞯脑O(shè)計，指導(dǎo)修改的過程也會很費(fèi)勁，有時候要做很形象的說明才能讓人明白為什么要那么做，所以我希望人們能對電流的本質(zhì)及其影響多一些思考，逐漸提高在此方面的認(rèn)識。恰好最近聽我歐洲的同事在說要做一期關(guān)于PC主板上給CPU供電的轉(zhuǎn)換器的電子報，那也是涉及大電流的，有時的電流能達(dá)到一百多個安培，設(shè)計上就有相當(dāng)多的講究，要考慮的問題也會很多，還需要關(guān)注CPU制造商所制訂的一些規(guī)范，但具體的內(nèi)容會是怎樣的我還不知道，對此有興趣的讀者可以在關(guān)注我們的微信號后在菜單欄的“深入交流”欄目里選擇“加入立锜會員”，我們在收到你所填寫的郵箱地址以后，就會在電子報發(fā)布時直接把相關(guān)的內(nèi)容發(fā)送給你做參考。

另外，最近電子發(fā)燒友網(wǎng)約我在他們的網(wǎng)站上做視頻直播，第一次直播的主題是“怎樣讓充滿電的鋰離子電池使用時間更長久”，這個話題我已經(jīng)講過很多次了，但發(fā)現(xiàn)每一次的反響都很熱烈，所以也想把它分享給其他朋友。其實這個話題本身可能沒有什么實際的用途，但目的卻是借此話題作為一個入口去談鋰離子電池的特性，以便大家能對自己在使用的東西有個正確的理解，知道在應(yīng)用中要如何去做思考和設(shè)計，幫助做出正確的決策。從另一個角度來看，對鋰離子電池進(jìn)行正確處理的過程其實也是電源管理的核心問題，我們需要解決供電源的不確定性和負(fù)載需求的確定性之間的不一致性問題，循此話題逐漸深入，就可以對所有的電源管理領(lǐng)域做更進(jìn)一步的探索，逐漸成為一個能夠在該領(lǐng)域自由行動的人。