移動(dòng)充電器革命：實(shí)現最小尺寸和最佳功率

　　使用便攜式設備時(shí)遇到的最大麻煩是什么? 市場(chǎng)調查表面：電池循環(huán)時(shí)間(即兩次充電之間的時(shí)間長(cháng)度)是便攜式設備用戶(hù)最希望改進(jìn)的方面。但是，用戶(hù)的煩惱似乎無(wú)法輕易減輕，因為便攜式設備制造過(guò)程 所涉及的部分關(guān)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(dòng)處理器)只會(huì )加快電池的耗盡速度，加重電池循環(huán)時(shí)間的缺陷。最近，市場(chǎng)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(mǎn)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(jìn)行的另一項調查也表明：移動(dòng)設備的屏幕分辨率持續提高。圖1顯示了2010年像素密度在200 ppi以上的移動(dòng)設備的份額僅為22%。到2015年，此份額將上升至 50%，2018年將進(jìn)一步達到55%。

　　圖1：市場(chǎng)份額（按屏幕像素密度）

　　我們可以看到移動(dòng)處理器也遇到了同樣的問(wèn)題。在很短的時(shí)間內，處理器已從單核架構過(guò)渡到四核架構。雖然當今的CPU采用高級處理技術(shù)，但功耗仍持續 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(dòng)無(wú)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(hù)減輕電池循環(huán)時(shí)間煩惱的最簡(jiǎn)單方法。

　　增加電池容量看似容易，但會(huì )導致許多問(wèn)題，充電器的最佳額定功率便是有待解決的因素之一。長(cháng)久以來(lái)，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(lái)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(shí)，等待過(guò)程會(huì )使用戶(hù)抓狂。另外，在拼命延長(cháng)電池循環(huán)時(shí)間的同時(shí)會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題：散熱。制造商面臨的巨大設計挑戰是大功率 充電器的高溫問(wèn)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(shí)間更長(cháng)，長(cháng)期產(chǎn)生的熱量將使充電器外殼的溫度升高?？紤]到以上問(wèn)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(shí)間內將容量更大的電池充滿(mǎn)電，制造商可采用的最簡(jiǎn)單方法就是增加充電器的額定功率。根據 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(shí)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(méi)有統一的標準，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(dòng)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(mǎn)足了所有這些要求，我們相信最終用戶(hù)樂(lè )于見(jiàn)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(kāi)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(guān)重要的環(huán)節是變壓器選擇。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(kāi)關(guān)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(shí)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(jìn)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(gè)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因為這直接影響發(fā)熱量。AC-DC轉換導致產(chǎn)生一定程度的功率損耗是 相當常見(jiàn)的情況，如果所有損耗均符合同一個(gè)比率，則增加額定功率甚至會(huì )產(chǎn)生更多熱損耗。這意味著(zhù)如果希望保持較小的充電器尺寸，同時(shí)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(kāi)關(guān)頻率的PWM IC，開(kāi)關(guān)損耗將大幅度增加，并為設計人員帶來(lái)難題。如果提高了工作頻率，您將會(huì )發(fā)現：如果不為系統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(jiǎn)而言之，由于尺寸仍然重要，當您嘗試增加額定功率時(shí)，效率便是最關(guān)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(gè)途徑。

　　● 如USB充電器標準所定義的，移動(dòng)充電器一直實(shí)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(gè)主題將是動(dòng)態(tài)響應。目前，大多數移動(dòng)充電器采用5 V/1 A規格。對于5 V/1 A規格的充電器，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(shuō)，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(wú)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(jìn)而導致輸出壓降。從這個(gè)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，傳統的PSR PWM可能難以實(shí)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轉變?yōu)? V/2 A或5 V/3 A，USB電纜上的功率損耗只會(huì )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(guò)USB認證。選擇具有較低損耗水平的特定輸出線(xiàn)可能是一個(gè)解決方案。另外應清楚：如果輸出線(xiàn)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(huì )延長(cháng)充電時(shí)間。這將稍微抵銷(xiāo)增加額定功率帶來(lái)的益處。

　　● 最后一個(gè)考慮因素是待機功耗。長(cháng)久以來(lái)，零負載下30 mW的待機功率一直被視為移動(dòng)充電器約定俗成的標準，即使在需要更高額定功率的時(shí)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(lái)使外部電路斷路或強制IC本身進(jìn)入睡眠模式，但這些方法同時(shí)也會(huì ) 提高設計的復雜度，增加元器件數量和電路板尺寸。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。

　　現在，電源行業(yè)將經(jīng)歷一場(chǎng)革命，以便滿(mǎn)足便攜式設備對更長(cháng)電池循環(huán)時(shí)間和更大充電能力的需求。制造商的任務(wù)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(chǎng)革命正是由這項挑戰推動(dòng)的。