芯茂微原邊恒功率+恒流帶來的快充設(shè)計(jì)革命

一、快速充電的原理，由來：

早期大部分手機(jī)內(nèi)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(jī)端口的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成電池可以接受的3.2~4.2V電壓，充電的電流由手機(jī)內(nèi)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(nèi)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(dá)到給手機(jī)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(shè)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(dá)到12V甚至20V，這樣在同等的2A/3A電流下實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(diào)整電壓，聯(lián)發(fā)科MTK協(xié)議通過4bit指令調(diào)制輸出電壓。

QC協(xié)議是相當(dāng)先進(jìn)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(shù)：

手機(jī)端會(huì)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(xì)的調(diào)整充電器的輸出電壓，以匹配到最佳的充電效果。

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

芯片自動(dòng)地對(duì)電源進(jìn)行偵測(cè)，識(shí)別電量輸入是來自什么方向，如PC、電源插座、USB等等，對(duì)每一個(gè)電量來源進(jìn)行IP標(biāo)記，能夠快速辨認(rèn)。

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

手機(jī)可以通過AICL功能檢測(cè)充電器最大可輸出的電流，實(shí)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(gè)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(huì)越大。用一個(gè)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(huì)達(dá)到4A;如果電壓低至3.5V，則電流將達(dá)到5.7A。

這么大的電流會(huì)導(dǎo)致充電電纜和手機(jī)電池嚴(yán)重發(fā)熱甚至起火。所以要求充電器和手機(jī)都要具備自動(dòng)輸入限流功能，當(dāng)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(guān)，去掉電流監(jiān)測(cè)合金電阻，使用簡(jiǎn)單協(xié)議IC。這種充電器，如果輸出電線發(fā)生接觸不良、內(nèi)部搭接，就會(huì)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(shí)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(cè)電流，并進(jìn)行調(diào)制和保護(hù)：

優(yōu)點(diǎn)：

●每個(gè)輸出電壓檔下，都可以恒流輸出

●恒流由協(xié)議IC檢測(cè)和控制，恒流值非常準(zhǔn)確

●原邊PWM主控只需要能檢測(cè)輸出電壓實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)即可，主控簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：

●需要電流檢測(cè)電阻，成本增加

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

下圖是ONSEMI的NCP4371協(xié)議IC可以實(shí)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(huì)根據(jù)電壓檔位的不同動(dòng)態(tài)調(diào)整;非常先進(jìn)。

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(shí)，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(shí)現(xiàn)完整的、安全可靠的、有較大成本優(yōu)勢(shì)的快充：

優(yōu)點(diǎn)：

●協(xié)議IC簡(jiǎn)單，成本低(無需檢測(cè)電流);

缺點(diǎn)：

●主控的高低壓過功率點(diǎn)要非常準(zhǔn)確，一致性要非常好;否則可能導(dǎo)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(cè)輸出電壓以實(shí)現(xiàn)輸出過載和短路保護(hù)

芯茂微電子獨(dú)創(chuàng)的CReg電路，實(shí)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(cè)和控制的條件下，可以實(shí)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(zhǔn)。

芯茂的原邊恒功率+恒流方案原理圖如下：

●在恒流點(diǎn)以下，充電的總功率是固定的，電壓越低則電流越大;

●當(dāng)電壓減低到6.7V或5V以下時(shí)，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(diào)整DET腳電阻可調(diào)節(jié)UVP保護(hù)點(diǎn))則主控IC進(jìn)入U(xiǎn)VP保護(hù)狀態(tài)，切斷供電。

以上這種原邊恒功率恒流模式對(duì)協(xié)議IC的要求低，協(xié)議IC只需要完成握手，調(diào)整輸出電壓即可;所有的限流任務(wù)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(nèi)置700V高壓MOS。具有輸出OVP、OCP、短路保護(hù)功能;具有OTP保護(hù)功能?？蛇x輸出2級(jí)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