創(chuàng)新技術(shù)助力，推動便攜設(shè)備高效充電的發(fā)展

　　電源充電技術(shù)已經(jīng)成為當前及下一代便攜設(shè)備的焦點。隨著智能手機等便攜設(shè)備的功能以及顯示屏尺寸的發(fā)展，耗電量將是用戶的最大困擾，今后大功率充電的需求將越來越明顯。此外，隨著電子設(shè)備種類的增加，將會出現(xiàn)一個充電器對應(yīng)多個終端的情況，根據(jù)不同設(shè)備使用不同充電器的時代將成為過去。

　　從充電器的發(fā)展歷史看，當我們還處于功能手機時代時，線性充電器是占主導(dǎo)地位的充電器類型。在過去幾年中，智能手機，特別是大屏幕智能手機，以及平板電腦設(shè)備已經(jīng)采用大容量電池。由于電池充電器行業(yè)從線性充電器轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)充電器的平均發(fā)展速度比預(yù)期慢（部分原因是由于高通、聯(lián)發(fā)科等核心芯片制造商在系統(tǒng)電源管理單元內(nèi)向上集成了內(nèi)置線性充電器），消費者事實上普遍都受到充電緩慢這一問題的困擾，并且在極端情況下會遇到散熱問題。

　　大多數(shù)高端智能手機目前仍然配備5W適配器。各種耗電應(yīng)用和功能推升了用戶對于更大功率適配器的需求，因此在市場上也能見到標配10W適配器的智能手機。提升電源功率是一種明顯的發(fā)展趨勢，這是因為電池容量越來越大，以及消費者要求便攜式設(shè)備能夠以前所未有的速度完成充電。這種趨勢正在推升市場對于高功率密度解決方案的需求。

　　同時，消費者要求得到更簡單、更方便的充電體驗，因此，人們對無線充電方案的興趣日益濃厚。無線充電是一個可提升生活品質(zhì)的技術(shù)。將人們在自由移動、安全便捷方面的體驗提升到更高層次。因此，無論消費者的目前認同程度和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的情況如何，無線充電技術(shù)一定是未來的發(fā)展趨勢。

　　先進工藝助無線充電提高功率轉(zhuǎn)換效率

　　從掌上型便攜式消費電子產(chǎn)品中可以看出，無線技術(shù)融入了我們生活的方方面面，令便捷性、互動性和監(jiān)控性能大幅提高。東芝電子（中國）有限公司技術(shù)統(tǒng)括部高級經(jīng)理呂建銘表示，盡管得益于藍牙、Wi-Fi、射頻、GPS和近距離傳輸（例如東芝的Transfer-Jet）等技術(shù)的發(fā)展，我們的生活取得了巨大進步，但想要享受徹底的無線生活，還有最后一道障礙：電源線。

　　目前，便攜設(shè)備等產(chǎn)品的屏幕快速變大、處理器變快和其核心變多，導(dǎo)致產(chǎn)品的電池容量變大并要求延長手機和平板電腦的使用時間。這就要求無線充電的輸出功率越大越好。如果將電流由1A增大到2A，那么充電時間就可以減少一半。然而由于線損等因素，電流不可能無限制地增加，因此，電源設(shè)計需要往升高電壓上轉(zhuǎn)變。

　　東芝半導(dǎo)體為無線充電的Qi標準方案提供了系列芯片（圖1）。其主要的技術(shù)優(yōu)勢是：最大限度地滿足Qi無線充電聯(lián)盟的1.1規(guī)范，輸出功率達到5W，保持寬負載范圍的高效性能，并具有異物檢測功能；單芯片方案，最大限度地減少了外圍元器件，減少系統(tǒng)成本；極小的導(dǎo)通阻抗，減少無謂的發(fā)熱現(xiàn)象。

　　圖1：東芝Qi標準無線充電產(chǎn)品具有極小導(dǎo)通阻抗，減少無謂的發(fā)熱現(xiàn)象。

　　同時，東芝半導(dǎo)體積極參與Qi無線充電聯(lián)盟的中功率規(guī)格的制定，并研制高電壓負載輸出等方案。計劃在今年第三季度研制出中功率規(guī)格的芯片產(chǎn)品。該公司還積極制定新產(chǎn)品開發(fā)計劃，以應(yīng)對來自市場不斷變化的需求。

　　東芝半導(dǎo)體采用先進的0.13um功率半導(dǎo)體工藝。這種工藝具有最小的導(dǎo)通阻抗和柵極寄生電容，從而提高功率轉(zhuǎn)換效率。并且東芝推出了具有電源路徑管理功能的充電芯片，其主要應(yīng)用在移動設(shè)備、可穿戴式設(shè)備上。在無線充電的應(yīng)用方面，東芝計劃研制Qi標準的輸出功率達到15W的芯片產(chǎn)品。

　　電場耦合無線充電技術(shù)實現(xiàn)送電功率最大化

　　在無線充電方面，村田公司采用了電力傳送發(fā)熱較少的電場耦合方案，抑制了大電流傳送時的發(fā)熱問題，將其控制在最小的限度范圍內(nèi)（圖2）。此外，該公司靈活采用了在其它領(lǐng)域積累的電源設(shè)計技術(shù)、模塊設(shè)計技術(shù)，開發(fā)出了大功率無線電力傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了送電功率最大化。

　　圖2：電場耦合式無線供電模塊提供10W大功率輸出。

　　村田（中國）投資有限公司模塊產(chǎn)品技術(shù)部高級市場工程師土屋貴紀談道，村田的電場耦合式無線電力傳輸模塊，相比電感耦合式具備以下優(yōu)勢：輸出功率大（10W）；位置隨意性強、建立無線充電系統(tǒng)時設(shè)計空間大；采用了薄型電極作為接收天線，因此使用簡便可安裝在各種電子設(shè)備中。該產(chǎn)品已在日立麥克賽爾株式會社的無線充電器“AIR VOLTAGE for iPad2”使用。在此項技術(shù)的基礎(chǔ)上，村田還將繼續(xù)研發(fā)更大功率的產(chǎn)品（輸出功率10W~50W），供平板電腦、筆記本電腦等設(shè)備充電。

　　他表示，電場耦合式充電技術(shù)與電磁（電感）耦合式技術(shù)相比，功率較大，位置自由度較高，動力傳動裝置的部分采用了可靈活設(shè)計的特征。村田10W的無線充電模塊量產(chǎn)之后，目前正在研發(fā)可對應(yīng)更大功率需求的產(chǎn)品，以及致力于實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。村田將靈活運用現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢，繼續(xù)為平板電腦、筆記本等大功率設(shè)備提供充電的模塊。同時，該公司還在研發(fā)桌面式無線充電模式，即只要將各類便攜設(shè)備放在桌面上就可實現(xiàn)充電。

　　此外，從技術(shù)角度而言，大功率小型化的產(chǎn)品，需要考慮其損耗以及散熱設(shè)計。同時，為了無線充電的安全性，村田正在考慮搭載雙向通信的功能。

　　支持Qi/PMA雙標準的無線充電產(chǎn)品

　　IDT在無線充電的接收端和發(fā)射端都有相關(guān)產(chǎn)品。IDT公司全球業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)陳曰亮介紹，對于接收端，IDT針對Qi、PMA和A4WP三種標準都有產(chǎn)品。在Qi和PMA標準（感應(yīng)式充電）方面，該公司既有面向單一標準的單模產(chǎn)品，也有針對兩種標準的雙模產(chǎn)品，其第二代P9023產(chǎn)品就是一款對Qi和PMA標準提供雙模支持的產(chǎn)品。IDT目前正致力于第三代Qi/PMA雙模接收端產(chǎn)品設(shè)計，而目前市面上很多其他產(chǎn)品都還處于第一代的階段。該公司符合A4WP標準（諧振式充電）的產(chǎn)品則主要針對高通公司的生態(tài)系統(tǒng)做推廣。

　　對于發(fā)射端，IDT今年2月份針對Qi標準發(fā)布了產(chǎn)品P9038，該產(chǎn)品是一款遵從Qi標準的5V輸入（最高支持8V）單芯片無線充電發(fā)送器解決方案。它將MOS管和運放等器件都集成到了其中，能夠使基于USB供電的無線充電減少75%的IC數(shù)量。

　　突破五大難題實現(xiàn)大功率快速充電設(shè)計

　　德州儀器（TI）公司電池管理方案市場拓展經(jīng)理文司華認為，充電對用戶體驗產(chǎn)生最直接影響的是電池性能——續(xù)航時間有多久、多長時間能充滿電，以及充電期間，手機溫度能夠比其他手機的溫度低多少等等。越來越多的公司采用快充解決方案。由于電源管理電路所處理的功率較大，具有集成充電器的電源管理單元（PMU）將會過熱。離散充電器脫穎而出，成為適合于此類應(yīng)用的更佳選擇。

　　除智能手機和平板電腦之外，可穿戴設(shè)備正引起廣泛關(guān)注。在某種程度上，為這些設(shè)備設(shè)計電源管理更具挑戰(zhàn)性。由于電池體積不能太大，通常使用最多的還是容量為幾十mAh到200mAh的聚合物電池。充電器集成電路，以及設(shè)計中所使用的任何其他芯片，必須足夠小，以適合在有限空間內(nèi)使用。防水及耐候設(shè)備上的接頭會是一個難題。早期的可穿戴設(shè)備使用的是接線式充電器；最新的可穿戴設(shè)備將使用專門為可穿戴產(chǎn)品市場所設(shè)計的線性充電器，并且采用無線充電技術(shù)。

　　文司華表示，快速充電的挑戰(zhàn)來自于以下幾個方面：

　　1.電池。電池充電的充電倍率（C-rat）：總的來說，電池的充電倍率不應(yīng)超過0.7C。這個值限制了任何鋰電池充電的速度。幸運的是，電池技術(shù)已經(jīng)推動了高充電倍率電池的發(fā)展。目前，這種電池已大批量生產(chǎn)。為了給高充電倍率電池充電，TI高強度電流充電器bq2419x在具有出色熱性能的單個封裝內(nèi)支持電流高達4.5A的充電（圖3）。

　　圖3：4.5A鋰離子充電器bq24190將充電時間減半。

　　電池使用壽命：這在傳統(tǒng)充電設(shè)計中通常不是一個主要設(shè)計因素，而在快充中，這變得十分重要，因為即使電池的設(shè)計能夠在快充條件下滿足特定充電循環(huán)壽命，電池個體之間的差異仍然可能會導(dǎo)致電池使用壽命的變化，而且這與安全性相關(guān)。德州儀器智能化的充電方案在不損傷電池的條件下，最大限度提高充電電流。MaxLife把電量計和充電IC結(jié)合起來，用電量計來控制充電IC，因為電量計是對電池最了解的芯片，特別是德州儀器具有阻抗跟蹤的技術(shù)，能夠更準了解電池老化程度、內(nèi)部溫度和各種滿充狀況。它的充電控制是一個智能化動態(tài)控制，能夠調(diào)整充電IC里面的電壓和電流，保證電流不超過安全區(qū)，控制電池不會由于充放電造成的老化。從這個角度來講，MaxLife的理念是在保證電池不受到損傷的前提下進行快充，而不是單純從一個時間角度考慮快充。

　　2.熱性能?？斐鋾痣娫垂芾鞩C和充電器的散熱問題，因為大功率充電的充電效率未經(jīng)優(yōu)化。散熱設(shè)計是TI充電器設(shè)計中最優(yōu)先考慮的問題。bq2419x充電器有兩個熱敏電阻輸入，以滿足智能手機/平板電腦中大容量電池的大量熱監(jiān)控需要。此外，在不違反熱性能設(shè)計原則的情況下，可編程熱閥值特性可以最大限度地增加所有條件下的充電電流，并且操作很方便。

　　3.安全性。這與散熱問題密切相關(guān)。即使對于使用普通充電技術(shù)的手機來說，電池膨脹仍然會時有發(fā)生。這在快充中是一個值得高度關(guān)注的問題。高級電池監(jiān)控是TI的強項。該公司擁有很多保護器產(chǎn)品（過電壓保護（OVP），過電流保護（OCP）和過熱保護（OTP）），以及高級電量計量產(chǎn)品。例如，一些電量計量產(chǎn)品能夠檢測鋰離子電池的內(nèi)部短路，從而較早指示電池性能退化，有效減少電池嚴重故障。TI生產(chǎn)的大多數(shù)快速充電器為充電提供安全定時器，并且某些充電器集成了針對電池的過壓保護。

　　4.適配器限制。大多數(shù)常見的墻式適配器在輸出電壓為5V時的功率小于10W。通過引入高壓/可變電壓適配器，充電器行業(yè)正在突破輸入功率限制。TI的MaxCharge充電器和適配器能夠處理充電器和適配器之間的協(xié)商。這一功能節(jié)省了系統(tǒng)資源并減少了成本。當實現(xiàn)成功信號交換時，適配器將在標準電源接口上輸出高電壓（例如9V、12V）。如果充電器IC不支持MaxCharge，適配器將保持在缺省的5V電壓輸出。

　　5.智能手機中的空間限制。高強度電流充電需要更大熱容量和更大的電感器。TI通過引入電流為3A的最小CSP充電器，提供可在緊湊空間內(nèi)工作的快充解決方案。目前還有更多的創(chuàng)新技術(shù)在研發(fā)中，用于來提供這方面的解決方案。

　　TI最新的充電器產(chǎn)品覆蓋了廣泛的市場應(yīng)用。由于對電池技術(shù)的深入了解，該公司已經(jīng)開發(fā)出直接面向每個主流細分市場和目標客戶的產(chǎn)品。TI會不斷發(fā)布針對三個快速發(fā)展細分市場的全新充電器：針對智能手機/平板電腦的快充，無線充電和無線電源，以及可穿戴低功率充電器。

　　在連線式充電產(chǎn)品中，該公司提供具有出色熱性能、4.5A快速充電器bq2419x系列，以及世界上最小的3A芯片級封裝快速充電器bq2426x，兩款充電器都具有電流超過1A的OTG升壓功能。TI的線性充電器bq24040和線性電源通路充電器bq2423x已經(jīng)成為市面上很多主流可穿戴設(shè)備的優(yōu)先選擇。

　　在無線電源充電器IC產(chǎn)品方面，TI在WPC（無線充電聯(lián)盟）成立之前就已經(jīng)擁有很長的研發(fā)歷史。TI的產(chǎn)品是大多數(shù)市面上集成有接收器（RX）的智能手機的首選。原因在于TI無線電源RX在三個領(lǐng)域區(qū)別于其他解決方案：第一，以最少的物料清單（BOM）和最小的解決方案尺寸高集成RX設(shè)計，充分滿足了智能手機的應(yīng)用需求；第二，滿足標準化組織認證過程中需要的強健性能；第三，領(lǐng)先的產(chǎn)品路線圖：TI持續(xù)不斷地推出創(chuàng)新型、市場領(lǐng)先的總體解決方案來滿足消費、工業(yè)和汽車的無線充電應(yīng)用需求。

　　數(shù)字智能技術(shù)大幅縮短充電器的充電時長

　　Dialog半導(dǎo)體有限公司電源轉(zhuǎn)換事業(yè)群營銷副總裁Scott Brown談道，最近已經(jīng)出現(xiàn)了適配器充電技術(shù)，這種技術(shù)可以使用標準USB電纜或連接器提高功率密度。USB標準要求使用5V電源，而現(xiàn)實生活中的USB連接器最大能夠支持近2A的電流，因此，最大電源功率被限制在10W。為了能夠使用標準USB硬件傳輸更多電能，這些新型設(shè)計技術(shù)能夠?qū)㈦妷荷?V以上，從而實現(xiàn)大于10W的功率。高通和聯(lián)發(fā)科已經(jīng)發(fā)布了他們的電壓調(diào)節(jié)協(xié)議，它們不僅支持標準的USB電壓，而且能夠讓手機和適配器商定一個不同的電壓。不用說，這些先進技術(shù)需要手機和適配器都更加智能化。

　　在被Dialog半導(dǎo)體有限公司收購之前，iWatt就常年提供市場領(lǐng)先、面向便攜式設(shè)備的AC/DC數(shù)字電源適配器解決方案。該公司圍繞以數(shù)字控制為核心的理念設(shè)計這些IC，而這項數(shù)字技術(shù)正是Dialog目前所有AC/DC轉(zhuǎn)換器IC的關(guān)鍵，因此這些AC/DC轉(zhuǎn)換器IC是打造更加智能的適配器的理想選擇，能夠使它們與智能手機或便攜式設(shè)備進行“交談”。

　　Dialog兼容MediaTek Pump Express協(xié)議的接口IC（iW1680）是一個單芯片解決方案，可借助內(nèi)置數(shù)字智能技術(shù)大幅縮短USB AC/DC壁式充電器的充電時長，而且其物料成本（BOM）并不高于速度較慢的傳統(tǒng)充電技術(shù)（圖4）。iW1680靈活調(diào)節(jié)壁式充電器的輸出電壓，隨時為手機提供所需的最佳電平。這不僅使得手機無需內(nèi)置輸入降壓轉(zhuǎn)換器且降低系統(tǒng)總成本，而且還能更高效地向手機電池輸送電能，縮短充電時間。

　　圖4：Dialog兼容聯(lián)發(fā)科Pump Express協(xié)議的接口芯片iW1680及兼容高通Quick Charge 2.0的AC/DC快速充電適配器芯片iW620。

　　該公司為高通Quick Charge 2.0提供了AC/DC快速充電適配器解決方案（iW620+iW1760）。在不增加元器件的情況下，該組合可打造出真正優(yōu)于競爭對手的高效解決方案。最終，該方案提高了充電速度，而且為尺寸更小的快速充電器提供了它們所需的更高的功率密度。

　　Scott Brown說道：“Dialog是快速充電領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，也是唯一一家同時提供滿足高通Quick Charge 2.0和MediaTek Pump Express協(xié)議的AC/DC控制器IC的廠商。未來幾年，我們將進一步增強快速充電控制器IC，拓展產(chǎn)品線，打造更加小巧和經(jīng)濟高效的解決方案。”

　　CoolMOS系列給充電設(shè)計帶來便利

　　英飛凌豐富多樣的CoolMOS產(chǎn)品系列給充電設(shè)計帶來了便利。英飛凌科技（中國）有限公司電源管理及多元化市場部應(yīng)用市場經(jīng)理胡鳳平表示，超低的損耗、更小的封裝以及更高的可靠性能夠協(xié)助客戶引領(lǐng)行業(yè)。目前充電設(shè)計遇到的問題主要有功率密度、熱處理、安規(guī)的處理，設(shè)計周期變短，以及性價比需進一步提升。

　　英飛凌5mm×6mm 650V/700V高壓CoolMOS系列，降低了占板面積，并提升了功率。該系列數(shù)字式控制IC，能夠提升可靠性，縮短設(shè)計周期，并降低成本。

　　CoolMOS功率晶體管系列在能效方面樹立了行業(yè)新標桿。作為高壓MOSFET技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，CoolMOS可大幅降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，確保電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)高功率密度和高能效。憑借其高性價比，CoolMOS成為了滿足目前不斷攀升的能源需求的理想之選。尤其是最新的CoolMOS C7系列，代表了最高技術(shù)含量的高壓功率MOSFET。它使交流/直流電源系統(tǒng)更高效、更緊湊、更輕更涼，這得益于其每種封裝上具備最低的通態(tài)電阻、最快的開關(guān)速度和最低的柵極驅(qū)動需求。