移動充電革命：實現(xiàn)小尺寸與最佳額定功率

　　您使用便攜式設備時遇到的最大麻煩是什么？ 市場調(diào)查表面：電池循環(huán)時間（即兩次充電之間的時間長度）是便攜式設備用戶最希望改進的方面。但是，用戶的煩惱似乎無法輕易減輕，因為便攜式設備制造過程所涉及的部分關鍵設計因素（例如更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更強大的移動處理器）只會加快電池的耗盡速度，加重電池循環(huán)時間的缺陷。最近，市場上已推出屏幕尺寸為4.3英寸和4.7英寸、屏幕分辨率為720p的便攜式設備，部分屏幕尺寸甚至達到5英寸。與早期尺寸較小且分辨率較低的屏幕相比，這些顯示器需要更多電量才能使LCD屏幕維持令人滿意的亮度級別。下表顯示了近幾年屏幕分辨率的發(fā)展。

　　智能手機的屏幕分辨率

　　DisplaySearch公司進行的另一項調(diào)查也表明：移動設備的屏幕分辨率持續(xù)提高。圖1顯示了2010年像素密度在200 ppi以上的移動設備的份額僅為22%。到2015年，此份額將上升至 50%，2018年將進一步達到55%。

　　圖1：市場份額（按屏幕像素密度）

　　我們可以看到移動處理器也遇到了同樣的問題。在很短的時間內(nèi)，處理器已從單核架構(gòu)過渡到四核架構(gòu)。雖然當今的CPU采用高級處理技術(shù)，但功耗仍持續(xù) 增加。當然，LCD屏幕和處理器并不是導致功耗增加的唯一因素。如果考慮所有可能因素，則在追逐“Mobile Everywhere”（移動無處不在）的趨勢下，便攜式設備的電池容量需求將不可避免地升高。這似乎成了最終用戶減輕電池循環(huán)時間煩惱的最簡單方法。

　　增加電池容量看似容易，但會導致許多問題，充電器的最佳額定功率便是有待解決的因素之一。長久以來，USB充電器標準促使制造商將5 V/1 A功率格式廣泛應用于智能手機充電器。由于電池容量的趨勢是從當前的1800 mAh增加到3500 mAh，未來可能更高，因此5 V/1 A充電器明顯不足。使用目前的5 V/1 A格式充電器為較大的電池充電時，等待過程會使用戶抓狂。另外，在拼命延長電池循環(huán)時間的同時會產(chǎn)生另一個問題：散熱。制造商面臨的巨大設計挑戰(zhàn)是大功率 充電器的高溫問題。用1 A的電流給2000 mAh以上的電池充電將產(chǎn)生高溫，因為充電器保持全負載時間更長，長期產(chǎn)生的熱量將使充電器外殼的溫度升高。考慮到以上問題，充電器行業(yè)如何才能打破更大 電池容量的瓶頸呢？

　　要在合理的時間內(nèi)將容量更大的電池充滿電，制造商可采用的最簡單方法就是增加充電器的額定功率。根據(jù) USB標準的5 V輸出，部分制造商選擇將工作電流從1 A增加到2 A或3 A 以縮短充電時間；其他制造商則選擇增加工作電壓以提高效率。雖然業(yè)界看似沒有統(tǒng)一的標準，但至少目前仍有一些適用的基本準則。為了省電，業(yè)界對便攜充電器 設計始終具有一些基本的“必需”要求，例如高度緊湊的充電器尺寸（假如是設計用于移動設備）和較低的待機功耗。最為重要的是，任何新的、更強大的充電器必 須兼顧安全性和功能。如果滿足了所有這些要求，我們相信最終用戶樂于見到安全高效的充電器，也就是能夠提供充足充電能力且額定功率超出當前USB充電器標 準的充電器。

　　充分發(fā)揮微型充電器的充電能力并不是件容易的事，但在累積了多年的充電器解決方案開發(fā)經(jīng)驗之后，業(yè)界已經(jīng)有一些方向可以遵循。

　　要保持高度緊湊的充電器尺寸，至關重要的環(huán)節(jié)是變壓器選擇。如果我們要順應充電器尺寸不斷縮小的趨勢，則需要具有較高開關頻率的PWM控制器。工作頻率相 對較高（例如 85 kHz）的PWM控制器可讓您選擇尺寸較小的變壓器（約為控制器工作頻率為50kHz時所需的變壓器尺寸的三分之一）。目前，工作頻率為140 kHz的PWM控制器已經(jīng)上市，制造商能夠進一步縮小變壓器的尺寸。下面的圖2顯示了用于5 W/50 kHz充電器的變壓器（左邊）與用于5 W/85 kHz充電器的變壓器（右邊）的尺寸對比。

　　圖2：工作頻率為50 kHz的變壓器（左邊）與工作頻率為85 kHz（右邊）的變壓器的尺寸差別。

　　● 下一個設計考慮因素是效率。要充分發(fā)揮微型充電器的充電能力，效率顯然是個關鍵問題，因為這直接影響發(fā)熱量。AC-DC轉(zhuǎn)換導致產(chǎn)生一定程度的功率損耗是 相當常見的情況，如果所有損耗均符合同一個比率，則增加額定功率甚至會產(chǎn)生更多熱損耗。這意味著如果希望保持較小的充電器尺寸，同時希望將額定功率翻倍或 提高更多倍，您需要做的第一件事就是提高效率。要提高效率，您必須了解產(chǎn)生功率損耗的所有因素。最為重要的是，充電器尺寸和系統(tǒng)效率必須保持平衡。如果只 想縮小充電器的尺寸，并且選擇了具有極高開關頻率的PWM IC，開關損耗將大幅度增加，并為設計人員帶來難題。如果提高了工作頻率，您將會發(fā)現(xiàn)：如果不為系統(tǒng)選擇性能更高的元器件（例如具有較低Rds（on）的MOSFET和具有較低正向壓降的整流器二極管等）， 則通常難以重獲效率。簡而言之，由于尺寸仍然重要，當您嘗試增加額定功率時，效率便是最關鍵的考慮因素。對于PWM IC本身，為了提高效率，目前部分PSR PWM控制器在邊界導通模式（BCM）下工作，以取代當前最常用的非連續(xù)導通模式（DCM）控制器。使用這些BCM控制器是我們應當考慮的一個途徑。

　　● 如USB充電器標準所定義的，移動充電器一直實施5 V的充電電壓。如果您想定義的是以2 A或3 A作為工作電流并面向較高額定功率的5 V充電器，則需要考慮的下一個主題將是動態(tài)響應。目前，大多數(shù)移動充電器采用5 V/1 A規(guī)格。對于5 V/1 A規(guī)格的充電器，為防止因漏電流突然從零負載切換到半負載或全負載而導致發(fā)生充電故障，USB充電器標準已明確定義壓降。從根本上說，如果輸出電壓維持在 5 V，則輸出電流越大，壓降的幅度也越大。原因是絕對漏電流（無論是介于零負載到半負載之間還是介于零負載到全負載之間）將變大，進而導致輸出壓降。從這個觀點來看，傳統(tǒng)的PSR PWM可能難以實施，制造商可以改用SSR PWM，因為后者具有出色的性能。

　　● 如果充電器從5 V/1 A轉(zhuǎn)變?yōu)? V/2 A或5 V/3 A，USB電纜上的功率損耗只會讓壓降變得更嚴重。如果希望將輸出電壓保持在5 V，則需要認真考慮電纜上的壓降，并謹記有些電纜可能未通過USB認證。選擇具有較低損耗水平的特定輸出線可能是一個解決方案。另外應清楚：如果輸出線連 接到與5 V/1 A版本相同的5 V/2 A或5 V/3 A充電器，輸出壓降會延長充電時間。這將稍微抵銷增加額定功率帶來的益處。

　　● 最后一個考慮因素是待機功耗。長久以來，零負載下30 mW的待機功率一直被視為移動充電器約定俗成的標準，即使在需要更高額定功率的時候，制造商也必須堅持30 mW的標準。雖然輸出功率已翻倍甚至增至三倍，但業(yè)內(nèi)部分制造商希望待機功率下降至10 mW或甚至接近0 mW。要設計具有極低待機功率的充電器，最通用的解決方案是嘗試使用外部電路或附加設備來使外部電路斷路或強制IC本身進入睡眠模式，但這些方法同時也會 提高設計的復雜度，增加元器件數(shù)量和電路板尺寸。對于充電器應用，我們建議選擇具備創(chuàng)新的綠色模式或突發(fā)模式控制功能的PWM控制器。這有助于設計具有較 小電路板尺寸和較低BOM成本的低待機功耗解決方案。

　　現(xiàn)在，電源行業(yè)將經(jīng)歷一場革命，以便滿足便攜式設備對更長電池循環(huán)時間和更大充電能力的需求。制造商的任務是在安全級別更高且待機功率更低的條件下充分發(fā)揮微型充電器的充電能力，而這場革命正是由這項挑戰(zhàn)推動的。