芯茂微原邊恒功率+恒流帶來的快充設計革命

一、快速充電的原理，由來：

早期大部分手機內部有一顆DC-DC降壓buck芯片或線性恒流芯片，可以將輸入到手機端口的電壓進行轉換，變成電池可以接受的3.2~4.2V電壓，充電的電流由手機內部的芯片來控制。充電功率由充電端口的電壓和電流共同決定，P=V*I。

但是，USB電纜和USB插座最大能承受的電流是有限的，比如micro USB接口最大電流只有2A，type-C USB接口最大電流3A(也有的為5A但需要內部帶Emark芯片)。如果都按照5V來充電，則給電池充電的最大功率就只有5V*2A=10W，或5V*3A=15W，無法達到給手機電池快速充電的目的。

端口的輸入功率=輸入電壓 x 輸入電流，所以，充電功率的提高與端口電流容量受限之間的矛盾，可以通過提高端口輸入電壓來解決。既然電流不能加大，就增加電壓吧!

就有了多種升高電壓的方式，比如高通QC協(xié)議就是通過D+ D-兩根數(shù)據(jù)線向充電器發(fā)送電壓設定指令的。通過D+ D-不同的電平，充電器就可以按需把電壓抬升上去，達到12V甚至20V，這樣在同等的2A/3A電流下實現(xiàn)高達24W甚至60W大功率充電的效果。還有PD協(xié)議是直接通過數(shù)據(jù)通信來調整電壓，聯(lián)發(fā)科MTK協(xié)議通過4bit指令調制輸出電壓。

QC協(xié)議是相當先進的快充協(xié)議，它有很多優(yōu)秀的功能：

1、最佳電壓智能協(xié)商 INOV(Intelligent Negotiation for Optimum Voltage)技術：

手機端會根據(jù)電池的電壓、容量、溫度等參數(shù)，按照INOV算法，以200mV的檔位精細的調整充電器的輸出電壓，以匹配到最佳的充電效果。

2、自動電源類別檢測APSD(Automatic Power Source Detection)：

芯片自動地對電源進行偵測，識別電量輸入是來自什么方向，如PC、電源插座、USB等等，對每一個電量來源進行IP標記，能夠快速辨認。

3、自動輸入限流AICL(Automatic Input Current Limit)：

手機可以通過AICL功能檢測充電器最大可輸出的電流，實現(xiàn)更快的充電速度。PD協(xié)議在USB聯(lián)盟的加持下，已經(jīng)得到了廣泛的使用。歐盟甚至已經(jīng)頒布了法令，要求所有充電器必須使用TypeC接口，這個接口，一定要支持PD協(xié)議~

二、快速充電的隱憂：

快速充電就是大功率充電;I=P/V，所以充電器功率提升以后，輸出電壓越低，輸出電流就會越大。用一個20W的充電器舉例，如果電壓低到5V，則充電器可以輸出的電流就會達到4A;如果電壓低至3.5V，則電流將達到5.7A。

這么大的電流會導致充電電纜和手機電池嚴重發(fā)熱甚至起火。所以要求充電器和手機都要具備自動輸入限流功能，當電流超過一定值后能夠限制住，或者切斷供電，保證安全。目前的很多充電器廠家，為了降低成本，不惜去掉Vbus開關，去掉電流監(jiān)測合金電阻，使用簡單協(xié)議IC。這種充電器，如果輸出電線發(fā)生接觸不良、內部搭接，就會造成電流過大而燒毀。

三、如何做到既能限流，又能成本低?

1、現(xiàn)有解決方案：

要實現(xiàn)充電器限流，目前主流解決方案都是采用副邊協(xié)議IC監(jiān)測電流，并進行調制和保護：

優(yōu)點：

●每個輸出電壓檔下，都可以恒流輸出

●恒流由協(xié)議IC檢測和控制，恒流值非常準確

●原邊PWM主控只需要能檢測輸出電壓實現(xiàn)短路保護即可，主控簡單

缺點：

●需要電流檢測電阻，成本增加

●協(xié)議IC要實現(xiàn)恒壓、恒流功能;且在3V電壓下可以工作;協(xié)議IC復雜，成本增加

下圖是ONSEMI的NCP4371協(xié)議IC可以實現(xiàn)的輸出特性效果。

可以看到不同的電壓檔位下，都是恒流特性;而且恒流值會根據(jù)電壓檔位的不同動態(tài)調整;非常先進。

2、芯茂微原邊恒功率+恒流解決方案：

為了解決大功率快充成本高和輸出限流安全性之間的矛盾，芯茂微電子推出了LP8718x，LP8719x系列芯片;該系列芯片涵蓋了20W~33W功率范圍，都具有原邊恒功率+恒流功能。同時，芯茂微電子還提供配套的同步整流，PD/QC協(xié)議IC。

PWM芯片、同步整流芯片、協(xié)議IC三者配合，可以實現(xiàn)完整的、安全可靠的、有較大成本優(yōu)勢的快充：

優(yōu)點：

●協(xié)議IC簡單，成本低(無需檢測電流);

缺點：

●主控的高低壓過功率點要非常準確，一致性要非常好;否則可能導致輸出功率超過最大允許值。

●主控需要具有原邊恒流功能以滿足AICL要求

●主控要能夠檢測輸出電壓以實現(xiàn)輸出過載和短路保護

芯茂微電子獨創(chuàng)的CReg電路，實現(xiàn)了精確的原邊恒功率和恒流控制。在不需要副邊電流檢測和控制的條件下，可以實現(xiàn)以下輸出V-I曲線(20W PD/QC快充)：可以看到，電流十分的精準。

芯茂的原邊恒功率+恒流方案原理圖如下：

●在恒流點以下，充電的總功率是固定的，電壓越低則電流越大;

●當電壓減低到6.7V或5V以下時，電流變成恒定的3A狀態(tài)。

●如果電壓降得更低，比如到了3.2V(通過調整DET腳電阻可調節(jié)UVP保護點)則主控IC進入UVP保護狀態(tài)，切斷供電。

以上這種原邊恒功率恒流模式對協(xié)議IC的要求低，協(xié)議IC只需要完成握手，調整輸出電壓即可;所有的限流任務都是由原邊PWM主控完成。

四、芯茂微三件套選型(輸出電壓最高12V)

LP8718/9系列PWM：Vcc耐壓60V，定頻CCM模式工作65kHz，內置700V高壓MOS。具有輸出OVP、OCP、短路保護功能;具有OTP保護功能。可選輸出2級OVP功能(5V輸出下OVP為7V以下，12V輸出OVP為15V以下)。

審核編輯：湯梓紅