USB-C需要新一代的升降壓電池充電器單芯片

USB-C正顛覆現有的USB技術(shù)

　　USB-C正在升溫。2015年4月，蘋(píng)果推出了具有USB-C接口的12寸的MacBook，與之前的電腦不一樣的地方在于只有一個(gè)接口，就可以實(shí)現USB接口的所有功能，這就是USB-C接口。除此之外，USB-C接口還有很多新的功能，例如快充、輕薄短小，這使得蘋(píng)果的12寸MacBook比前代產(chǎn)品輕薄更多。Intel在2015年9月1日發(fā)布Skylake第6代酷睿處理器，其所注重的也是能夠讓電子設備更輕薄、更快喚醒和更長(cháng)電池續航時(shí)間，在此互動(dòng)之下，超極本、平板電腦、移動(dòng)電源等越來(lái)越多的電子產(chǎn)品開(kāi)始采用USB-C連接器。

　　這時(shí)，傳統的降壓充電方法不靈了，需要“升壓-降壓”充電。為此，Intersil不久前推出業(yè)內首款支持雙向輸電的單芯片ISL9237。Intersil市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與應用總監魏佳分析道，從傳統的A/B接口變成新的USB-C接口時(shí)，在電源管理上會(huì )有很大改變?，F在的電子設備通常會(huì )有兩大類(lèi)，一類(lèi)是電池由好幾節串起來(lái)的，典型的產(chǎn)品諸如筆記本電腦，其電池可能是兩節、三節甚至四節，但通常都是鋰電池串起來(lái)。因為一節電池充滿(mǎn)的時(shí)候，電壓通常會(huì )在4.3V，為了給所有電池充電，通常筆記本電腦的電源是20V DC，因此DC電源的電壓永遠比電池電壓高，那么在進(jìn)行充電時(shí)，只需要使用一種降壓技術(shù)就可以充電，在電路上，一種降壓技術(shù)就可以來(lái)達到此目的。

　　對于手機及絕大多數平板電腦等功率較低的電子設備，它們都是用一節鋰電池，一節鋰電池的最高電壓只有4.3V，其非常適合傳統的USB A和B這兩種充電方法。因為USB口的電壓是5V，5V高于4.3V。所以用降壓充電的方法就可以實(shí)現了。

　　綜上所述，兩類(lèi)不同的產(chǎn)品——多節電池和一節電池的產(chǎn)品，從電池充電的技術(shù)上來(lái)看，本質(zhì)上沒(méi)有任何區別，都是降壓充電，即Buck電路就可以實(shí)現。

　　但是隨著(zhù)新的USB-C接口的出現，情況不同了。USB-C的目的是為了達到一個(gè)接口可以連接所有電子產(chǎn)品。這意味著(zhù)所有的筆記本電腦和手機、平板電腦，全部采用USB-C接口，那么USB-C接口就可能有各種各樣的電壓，因此USB-C的電壓不再是一個(gè)傳統的5V，它因為要向前兼容，所以它一定有5V，USB-C同時(shí)可以把電壓調節到最高到20V和5A，即100W的能力。如圖1，右側部分，左邊的電源是用來(lái)充電的電壓，它是5V~20V。右邊是被充的電池電壓，也有多種可能性電壓。換句話(huà)，已經(jīng)不存在一個(gè)固定的電源電壓高于電池電壓這種關(guān)系。這很麻煩，因為先前的市場(chǎng)沒(méi)有一個(gè)能夠升壓-降壓的充電器。需要新的解決方案。

　　為此，為Intel處理器配電的Intersil公司近日推出了ISL9237芯片，魏佳稱(chēng)其堪稱(chēng)業(yè)內第一款給大眾客戶(hù)使用的USB-C充電方案，電壓輸入范圍3.2～23.4V?！癐ntersil的單芯片窄范圍VDC(NVDC)電池充電器解決方案和競爭對手相比，可減少一個(gè)升壓器IC和電感，幫助客戶(hù)節省物料成本多達40%?！绷硗?，ISL9237利用Intersil的R3調制專(zhuān)利技術(shù)，實(shí)現無(wú)噪聲運行、高的輕負載效率和超快瞬態(tài)響應，以延長(cháng)電池續航時(shí)間。

解決嗡嗡聲的調制技術(shù)

　　Intersil有一個(gè)王牌的專(zhuān)利技術(shù)——R3開(kāi)關(guān)電源調制技術(shù)，這次也應用于升/降壓充電過(guò)程中。R3是Intersil大約十年前開(kāi)發(fā)出來(lái)的，最早應用在給Intel CPU和AMD CPU供電中。這種調制技術(shù)的重要特點(diǎn)是瞬態(tài)響應較好，輕負載效率較高，可以延長(cháng)電池續航時(shí)間。但是在現在這個(gè)升降壓領(lǐng)域內，有個(gè)更重要的指標，大家更關(guān)注的是被稱(chēng)為Acoustic Noise聲噪問(wèn)題。這種聲音就是你拿個(gè)電子設備在耳朵邊，能聽(tīng)到嗡嗡聲，像小蚊子哼一樣，它的產(chǎn)生是因為在傳送能量的過(guò)程之中，由瓷片電容引起的，瓷片電容有電流進(jìn)出的時(shí)候，會(huì )引發(fā)機械震動(dòng)，這種機械的震動(dòng)如果正好是在音頻20 kHz以下，人耳能夠聽(tīng)見(jiàn)。但是過(guò)去這是一件小事，因為電子設備通常有風(fēng)扇，可能把這個(gè)聲音湮沒(méi)掉，但是現在的產(chǎn)品很多是無(wú)風(fēng)扇的，所以這個(gè)聲音引起了重視。Intersil的R3解決了此問(wèn)題，“應該說(shuō)在電池充電領(lǐng)域里，我們可能是唯一一家能夠提供這種技術(shù)的廠(chǎng)商?！蔽杭颜f(shuō)，“其他做電池充電技術(shù)的廠(chǎng)商，可能都遇到這個(gè)問(wèn)題。解決起來(lái)很麻煩，不得不采用很多增加產(chǎn)品成本的方法來(lái)解決它?！?/p>

　　具體地，引起嗡嗡聲的是開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源通常開(kāi)關(guān)頻率比較高，經(jīng)常是1MHz或幾百kHz的頻率，這樣的頻率，我們的耳朵是聽(tīng)不見(jiàn)的。但是現在因為大家都想電池要續航時(shí)間長(cháng)，因此電壓輸出較高的時(shí)候，就要降低開(kāi)關(guān)頻率的頻率，問(wèn)題是在系統負載不是很大的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )變得很低，當這個(gè)頻率低到20 kHz以下的時(shí)候，人的耳朵就可以聽(tīng)見(jiàn)了。這時(shí)候重要的是要保證在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期傳輸的能量盡量小。因為人耳能聽(tīng)見(jiàn)這個(gè)噪聲，每一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率送過(guò)來(lái)的能量，最終引發(fā)瓷片電容機械振動(dòng)，這個(gè)能量如果過(guò)大，就會(huì )聽(tīng)到。

　　這就牽扯到R3調制技術(shù)。Intersil的做法就是在開(kāi)關(guān)頻率降低的時(shí)候，把整個(gè)能量的傳輸均勻地分布到每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期上去。這樣每一個(gè)周期里傳輸的能量就是最小的。

　　而一家競爭對手的做法是采用Burst Mode(觸發(fā)模式)。這種調制的局限會(huì )造成噪音問(wèn)題。因為其方法是連續幾個(gè)周期打幾個(gè)Pulse(脈沖)傳能量，然后歇上一陣子，再連續打幾個(gè)Pulse傳能量，再歇一陣子。問(wèn)題就在于打幾個(gè)Pulse的時(shí)候，相當于一次性送過(guò)去一個(gè)較大的能量，就造成了瓷片電容嗡嗡叫。

　　當然，對嗡嗡聲也是有解決辦法的。最簡(jiǎn)單的解決辦法，因為瓷片電容有聲音，干脆不用瓷片電容，用較貴的其他電容代替。還有一種方法是堆上多個(gè)其他的不同的電容來(lái)做，但是尺寸又變大了。

快充使USB-C流行起來(lái)

　　USB口要從5V變到USB-C口的原因之一，是可以升到20V，這樣可以實(shí)現快充。USB線(xiàn)現在最常見(jiàn)的問(wèn)題是電流是有限制的，通常是2A，最多3A?，F在的USB口只有5V，就算3A的線(xiàn)，也就只有15W充電的速度，這對于比較大的電池來(lái)說(shuō)，充電時(shí)間的確會(huì )較長(cháng)。所以在USB-C的架構下面，把USB口的電壓從5V升到20V。就算還是用3A線(xiàn)，這時(shí)候有60W的充電功率，就相當于把充電速度提高到4倍?！俺潆娝俣瓤旌苤匾?。因為現在的電子設備電池容量越做越大，手機的續航時(shí)間越來(lái)越久，但是帶來(lái)的充電挑戰會(huì )越來(lái)越大?！钡@引起的另一個(gè)挑戰是，如果是5V充電，原來(lái)要升壓充電，但是把這種USB頭的電壓改成20V以后，就需要降壓充電，這也是為什么需要一個(gè)新的充電模式的原因。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第82頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。