新一代InnoSwitch在快速充電器方面的應用

　　第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì )

　　時(shí)間：2016.01.14 下午

　　地點(diǎn)：深圳南山軟件創(chuàng )業(yè)基地 IC咖啡

　　演講主題：新一代InnoSwitch在快速充電器方面的應用

　　演講人：閻金光 (Jason), Power Integration高級應用工程師、實(shí)驗室經(jīng)理

　　主持人：快充隨著(zhù)魅8的出現越來(lái)越成為熱點(diǎn)，快速重點(diǎn)器的設計有哪些挑戰?我們今天非常榮幸的邀請到了Power Integration公司從事了24年技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)經(jīng)驗的 Jason。今天PI的專(zhuān)家除了分享快充方面的設計挑戰，也會(huì )介紹新產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，可以幫助智能移動(dòng)設備制造商縮短產(chǎn)品相應的開(kāi)發(fā)時(shí)間，以及推出性能更高的快充產(chǎn)品，有請Jason做詳細的介紹。

　　Jason：我今天主要講到充電器應用市場(chǎng)的趨勢和一些新的產(chǎn)品。首先對Power Integration做一個(gè)簡(jiǎn)介，另外講一些行業(yè)的趨勢，涉及到智能快速充電的解決方案，第三方面是我們最新推出了InnoSwitch產(chǎn)品，包括InnoSwitch -CP，也會(huì )介紹一下它的市場(chǎng)應用。

　　PI公司是美國的半導體上市公司，成立于1988年，主要致力于高壓控制線(xiàn)路的集成芯片供應商。我們出的產(chǎn)品都是高效節能的，用在低碳環(huán)保方面的使用，包括我們最大的特色，質(zhì)量是非常好的產(chǎn)品，我們是這樣一家公司，交付能力也是沒(méi)有任何的問(wèn)題。我們在所有的線(xiàn)上、線(xiàn)下都提供了完善的設計工具，我們給很多電源工程師做了實(shí)驗。開(kāi)關(guān)本來(lái)是相對比較新興的技術(shù)，那時(shí)候還沒(méi)有經(jīng)驗，所以現在把我們的經(jīng)驗給大家做參考。另外，我們是一家財務(wù)狀況良好的上市公司。

　　我們的產(chǎn)品主要涵蓋三個(gè)方面：第一，AC-DC的快速充電器，電源應用的一些領(lǐng)域，包括每個(gè)人手機用的充電器，還有家里的適配器，都是有電源供電的。第二，我們是LED照明，這也是比較火的行業(yè)，中國很多都在做大功率的LED照明，包括家里也有使用，其實(shí)里面也是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，是對LED的控制，我們的產(chǎn)品也滿(mǎn)足LED市場(chǎng)。最后一，我們公司曾經(jīng)收購了一家公司，他們有高可靠性的ICPC，對高鐵、風(fēng)能、電能都有涉獵到。

　　講一下電源轉換的行業(yè)趨勢。我本身在中國做開(kāi)發(fā)電源，從線(xiàn)型降壓電源開(kāi)始一直到現在，體積越來(lái)越小?，F在最新的趨勢是做快速充電。大家都有在使用手機，屏幕做的越來(lái)越大，內部電池的容量也做的越來(lái)越大，用蘋(píng)果手機，我們回家要做的第一件事就是充上電，方便第二天使用。我們看到右下角手機常用的充電器(見(jiàn)PPT)，中間有一個(gè)電纜連接到電源和負載之間，也可以是一個(gè)平板。充電器在以前的充電過(guò)程當中只是人為的提供一個(gè)電壓、電流就好了，你提供多少功率我實(shí)現多少消耗，然后對電池充電?，F在隨著(zhù)快速充電的要求，現在要做到一個(gè)目的，實(shí)現手機跟充電器的雙向通訊，這種通訊的目的是為了能夠盡快增加電池充電的效果。我們看到電源必須對來(lái)的指令有一個(gè)反應，改變它的輸出電壓、輸出電流。這種電壓、電流的改變能夠對手機電池實(shí)現快速充電。

　　我們以前做的，比如說(shuō)手機，以前用的最多的是5伏1安，現在是5伏2安，想再快可以到5伏10安，但是帶來(lái)電壓的影響，輸出電纜線(xiàn)有很強的影響，你的電壓越大，功率損耗越大，到一定程度電壓非常低了，再低電池就無(wú)法充電了。在電池使用過(guò)程中線(xiàn)的損耗非常大。隨著(zhù)業(yè)界的發(fā)展，我們提出來(lái)了，如何增大輸出功率?能不能把輸出電壓抬高?做一個(gè)比方，5伏2安是10瓦，把電壓抬高了，電流維持原來(lái)的電流，功率就加大了。但是電流沒(méi)有增大很多的情況下，在輸出電纜的損耗就沒(méi)有增加太多，這最初快充的想法，就是把功率抬到最大實(shí)現充電。這樣就實(shí)現充電速度更快，我們損耗上也有降低。在市場(chǎng)上大家已經(jīng)看到了，我們有不同的充電器，今天我們也給大家送出小的快速充電器，實(shí)際上是改變輸出電壓的，輸出電壓抬高了以后功率就加大了。

　　要實(shí)現快充，要實(shí)現充電器端和手機進(jìn)行通訊。這就涉及到通訊協(xié)議的問(wèn)題，什么樣的協(xié)議來(lái)溝通這樣的信息?這是交流變直流的充電器電源(見(jiàn)PPT)，這個(gè)電源輸出，我們在舊有的的充電器當中，以前的舊充電器電壓永遠是5伏，經(jīng)過(guò)這個(gè)負載線(xiàn)、USB線(xiàn)連接到手機當中去。這邊有不同的連接接口，所以我們有不同的方法，在USB的電纜當中，我們的指令是通過(guò)數據線(xiàn)傳輸的。這根數據線(xiàn)有一個(gè)通訊協(xié)議，通過(guò)D+、D-的方式傳送信號，這種方式我們最早見(jiàn)到的是QC2.0，還可以從9伏跳到后面這種，還有可能跳到20伏?，F在說(shuō)一下QC3.0，QC2.0輸出的電壓是進(jìn)行不同的輸出漸變的充電過(guò)程。

　　D+、D-之外還有V+、V-，還有輸出電壓和電流的變化，我們可以發(fā)出指令，我們電流可以發(fā)幾個(gè)脈沖，我們可以看到輸出電壓是抬高還是降低，這也可以實(shí)現輸出電壓的控制，只不過(guò)這個(gè)控制不是2.0的D+、D-，而是母線(xiàn)的控制，包括之前我們看到PD+(音)的協(xié)議，現在看來(lái)這種協(xié)議不能再擴散了?，F在協(xié)議市場(chǎng)，各家都在做自己的協(xié)議，三星有自己的，華為也在出自己的通訊標準，現在還沒(méi)有完全統一下來(lái)，因此比較混亂。最后PD協(xié)議將引入，因為這是相對更完善的協(xié)議，但是有一些廠(chǎng)家為了保護自己的知識產(chǎn)權可能會(huì )開(kāi)自己的通訊協(xié)議。

　　蘋(píng)果公司的接頭是lightning的接頭，輸出電壓比較大，5伏2.4A也是十幾瓦的功率，他們也在研發(fā)自己的快充方案。

　　國內某家公司，他們自己定制的是增加輸出電流方式，還是5伏輸出，但是達到25瓦，這是比較大的充電功率。這種方式帶來(lái)一些問(wèn)題，接頭要特殊定制，包括線(xiàn)質(zhì)量非常好，不然損耗非常大，也會(huì )發(fā)熱，手機端的接頭都是特別定制的，如果跟行業(yè)不太融合，一個(gè)是成本比較高，也是比較獨特的。前一段時(shí)間我們在國內開(kāi)關(guān)于快充的會(huì )議，這家公司也在主導快充國家標準，現在還是戰國時(shí)代，大家各做自己的協(xié)議。

　　前面也有講到Type C，Type C是將來(lái)的發(fā)展方向，它充電可以實(shí)現10瓦到100瓦功率的傳輸。實(shí)際上Type C也可以實(shí)現連接，它的電纜目前比較貴，市場(chǎng)成熟起來(lái)還需要一定的階段。

　　剛才有提到QC2.0，現在最新出的高峰協(xié)議叫QC3.0。左邊的是QC2.0的充電方式(見(jiàn)PPT)這樣來(lái)看只有三檔電壓可以跳躍?，F在最新出的這種叫做QC3.0，這并不是一個(gè)5、9、12三個(gè)臺階的電壓，它是可以連續變化的電壓，從6V-12V是連續變化的電壓。QC2.0的時(shí)候，手機充電真正變化并不是利用充電器的橫流進(jìn)行控制，手機內部有DC電源，把你輸入的電壓變成可充電電壓，隨著(zhù)慢慢充飽，數字電壓慢慢升高，最后會(huì )百分之百的充滿(mǎn)。我們內部的DC/DC的效率跟手機發(fā)熱是相關(guān)的，如果效率不高，充電的時(shí)候你一摸手機溫度是比較高的。以9V和12V輸出的電壓可能效率不高，隨著(zhù)能量慢慢充飽，電壓慢慢往上走，這樣DC/DC永遠維持比較小的壓差，這個(gè)對手機發(fā)熱有很大的幫助作用。在無(wú)線(xiàn)充電方案當中，如果DC/DC用這種方案來(lái)做，可以用3.0的方式。相對QC2.0來(lái)說(shuō)，QC3.0會(huì )使手機充電的時(shí)候發(fā)熱降低。我們從6V可以?xún)蓚€(gè)檔位的逐檔跳到12V，我們的InnoSwitch可以滿(mǎn)足這樣的特性要求。

　　我們再談功率方面，如果是QC2.0，輸出充電的時(shí)候可以看到12V功率比較大，12V1.5可以充到18瓦，隨著(zhù)電壓慢慢走，功率不到18瓦。右邊的QC3.0是連續變化的，從這條線(xiàn)走到這邊，電壓下降的情況電流在增大，電壓改變的時(shí)候這個(gè)電流在減少，所以我們始終保證輸出電流18瓦，相對QC2.0，QC3.0可以輸出更大的功率。所以從快充效果來(lái)看，用3.0比2.0充的速度更快。

　　快速充電器面臨一些重大的挑戰，以前沒(méi)有快充方案，大家做的是5伏1安或者5伏2安，我們需要做功率密度高的，現有的外觀(guān)當中，把功率加大，這些元器件能不能放進(jìn)去就是很大的挑戰，就要求所有元件數目少，效率做得高。做快充的時(shí)候輸出電壓是變化的，我們以前做開(kāi)發(fā)電源的時(shí)候，當電壓固定的時(shí)候可以非常容易的優(yōu)化效率，現在不同工作階段電壓從高到低有一些變化，這時(shí)候電壓效率表現不一樣，意味著(zhù)電壓也不一樣。我們做變壓器設計的時(shí)候要針對不同的電壓進(jìn)行設計，包括要考慮到圈數和桿量(因)等的影響，這就是技術(shù)方面要考慮的。包括快充的時(shí)候，市場(chǎng)上還有2.0的產(chǎn)品，你做3.0的時(shí)候要考慮到2.0的情況。

　　最后一方面是可控的控制機制，從5伏電壓慢慢增加的時(shí)候，如果電壓變化比較劇烈，可能后面的電路會(huì )被燒掉，如果有過(guò)壓保護動(dòng)作的話(huà)可以，如果過(guò)壓保護不當的話(huà)，就要看你本身有沒(méi)有導流的情況，比如說(shuō)從6伏升到6.2伏是慢慢上升還是一下上去6.2的。

　　InnoSwitch有不同的系列，這個(gè)系列會(huì )講到InnoSwitch-CP，始終都是保證18瓦輸出端的高負載供電。右下角是原理圖(見(jiàn)PPT)，這個(gè)是典型的初次級電源，如果防止不要手指觸摸碰到，所以是絕緣的，在以前舊有的電源當中有初次絕緣的，人手觸到次級這一段不會(huì )有觸電。我們現在是初級和次級之間跨階的。次級側有兩個(gè)控制器，初級的是一個(gè)開(kāi)關(guān)對一個(gè)開(kāi)關(guān)操作，次級的是對輸出電壓和電流都進(jìn)行監測，這種監測的目的是可以進(jìn)行更精確的輸出電壓和電流的控制。這就是初次級的情況。我們的InnoSwitch是在初級和次級之間，還有一個(gè)同步診流技術(shù)，如果你對開(kāi)放電源有認識，最早我們是用二極管診核，這里面有一些問(wèn)題，某些情況下這兩個(gè)如果同時(shí)開(kāi)通，就會(huì )造成閘機的危險，如果提高到單片，我們可以精準的控制，任何情況下都不會(huì )出現初級和次級兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)關(guān)的情況，這是InnoSwitch第一個(gè)實(shí)現了初級和次級之間的控制。初級跟次級的信息交換是通過(guò)PluxLink實(shí)現，我們利用這個(gè)實(shí)現初級和次級的交互。

　　我們之所以采用這個(gè)方式，是因為直接輸出電壓和電流可以進(jìn)行精確的控制，這是初級的方式中不太存在的優(yōu)勢。

　　既然說(shuō)這個(gè)IC是在初級和次級之間，首先關(guān)心的是一旦出現故障會(huì )不會(huì )出現短路，一旦短路人手觸摸到就有觸電危險。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們所有的產(chǎn)品出產(chǎn)之前都會(huì )自動(dòng)測試，都會(huì )做這種6Kv的脈壓測試，不會(huì )讓人有觸電的危險。既然它是安規器件，就要通過(guò)UL、TUV、CQC中國質(zhì)量認證中心的認證。內部的質(zhì)量監控當中，我們也要保證初次級隔離，所有電源做好之后要做不同的故障測試，所有的故障測試中都可以得到安全的保障。

　　InnoSwitch-CP專(zhuān)門(mén)應對QC3.0開(kāi)發(fā)，有兩個(gè)型號，最大輸出2.2W。如果你帶著(zhù)這個(gè)充電器滿(mǎn)世界出差，右邊有一個(gè)輸出功率表(見(jiàn)PPT)。我們集成反激控制器及650V MOSFET，這邊有兩個(gè)控制器，初級的MOSFET的開(kāi)關(guān)是通過(guò)次級，讓你開(kāi)就開(kāi)，讓你關(guān)就關(guān)，但是要避免兩個(gè)MOSFET同時(shí)開(kāi)關(guān)。這是電壓的檢測，同時(shí)輸出電流的檢測，所以無(wú)論是電壓、電流都會(huì )實(shí)現非常精確的控制。

　　右邊是我們的IC，左邊是一個(gè)初級側，右邊是次級側，我們是比較寬的IC，是跨了初級和次級之間的IC。我們做IC封裝設計的時(shí)候充分考慮到安全要求，還有一個(gè)5000米海拔，國內有一些海拔比較高的地區一要用到，所以在IC本體方面做大概9毫米的發(fā)電間距(音)。

　　InnoSwitch-CP可以為QC3.0甚至USB-PD提供最佳性能。我們知道CP是指12V-6V區間，始終是18W的線(xiàn)(見(jiàn)PPT)。因為做精確的次級輸出，所以我們要任何情況做到正負3%的穩壓精度。一般做到5%，初級的做到3%的精度非常難。在整個(gè)負載方面可以實(shí)現高于90%的效率。我們也知道功率要做高，電源做到現有外殼當中把功率做大，這個(gè)散熱有問(wèn)題，怎么辦?要把效率做高?？蛰d功耗可以小于10毫瓦，很多人家里充電器不會(huì )每天拔下來(lái)，但是只要充電器插在上面就有功率消耗，按照國際的標準要小于0.1瓦，所以我們可以把空載功耗小于10毫瓦，你把充電器插在墻上可以做到不會(huì )有任何電的消耗。全面保護功能方面，包括輸出過(guò)壓保護、輸入過(guò)壓保護，還有過(guò)熱保護，充電器有問(wèn)題的時(shí)候內部會(huì )發(fā)熱，如果人不在家，這個(gè)充電器可能會(huì )有故障造成火災。所以溫度到一定程度的時(shí)候，這個(gè)功率就停止輸送了，停止開(kāi)關(guān)操作了。

　　InnoSwitch-CP的恒功率輸出可以為QC3.0應用提供最佳的充電性能。你做4安培、5安培這些，會(huì )有充電器的性能測試。如果采用QC2.0的話(huà)，輸出電壓有三個(gè)檔，12V、5V、9V，12V可能是1安培或者1.2安培，所以電壓盡管抬高了，但只是減低了輸出電纜的損耗，功率并沒(méi)有增加太多，這是QC2.0帶來(lái)的局限性。雖然輸入電壓改變，本身的效率也在變化，所以這并不是最佳的解決方案。如果我們采用了這種QC3.0的話(huà)，是這樣一條斜線(xiàn)下來(lái)的，我們可以實(shí)現最佳的功率控制方式。在舊有方案當中這一塊功率永遠用不到的，所以過(guò)剩，原因是什么?我們保證這兩個(gè)點(diǎn)的功率。如果這個(gè)功率比較大，電源成本會(huì )上升的。另外，我們這個(gè)可以兼容QC2.01協(xié)議。

　　輕松滿(mǎn)足效率標準，有不同能效標準，效率方面有平均效率，從10%-100%的負載，包括10%負載的時(shí)候也有效率要求，我們可以采用不同的效率，輕松的滿(mǎn)足效率標準要求。

　　這是具體的20WQC3.0的快速手機充電器的原理圖(見(jiàn)PPT)，這里展示不同的性能表現。我在前面都有涉及到，看到整個(gè)完整的原理圖當中，前面是濾波，后面是完整的InnoSwitch，后面是變壓器了，這邊實(shí)現了快速控制的IC，所以它有全套的快速充電的解決方案。

　　CHY103完全支持QC3.0的協(xié)議，它是物理型接口的IC，同時(shí)可以兼容QC2.0、QC3.0。靜態(tài)功耗可以做到0.75毫瓦，整個(gè)充電器空載功耗也非常低的，可以做到10豪瓦。

　　它有一些保護功能。右邊這張圖(見(jiàn)PPT)大家可以看到，如果電源可靠性不高，會(huì )有這種燒壞的現象，如果這樣的充電器放在家里會(huì )有很大的危險。我們這個(gè)包括過(guò)壓保護、過(guò)熱保護，遠程光照也有保護，通過(guò)手機端發(fā)信號發(fā)給充電器，充電器會(huì )關(guān)閉操作。

　　實(shí)現InnoSwitch-CP可以實(shí)現ChiPhy的輕松設計。對整個(gè)元件公差不敏感，我們的變壓器會(huì )實(shí)現非常優(yōu)化的選擇。我們講到InnoSwitch-CP是恒功率，恒功率輸出可以消除成本和對整個(gè)功率的浪費。直接控制輸出電壓電流，可以實(shí)現對輸出精準的控制，通過(guò)這個(gè)方式改善效率，降低沖電氣的風(fēng)險。最后，我們是初級和次級之間的連接。

　　InnoSwitch這個(gè)產(chǎn)品系列大概可以做到23W、24W左右。還有其他的產(chǎn)品，這個(gè)是用在充電器的，這個(gè)是用在功率更高的35W左右的充電器(見(jiàn)PPT)。