新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD解決方案,助力移動(dòng)設(shè)備快速充電
發(fā)布時(shí)間:2021-06-01 來(lái)源:Dialog半導(dǎo)體公司系統(tǒng)和應(yīng)用工程高級(jí)總監(jiān) 李勇博士 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】針對(duì)智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的快速充電是消費(fèi)電子行業(yè)中增長(zhǎng)最快和規(guī)模最大的市場(chǎng)之一,相應(yīng)電源適配器每年全球使用量達(dá)數(shù)億件以上。其中涉及一系列新興技術(shù)和挑戰(zhàn),包括USB Power Delivery(PD)。本文將探討一些目前與快充相關(guān)的AC/DC功率變換關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)討論對(duì)USB PD的支持、技術(shù)的發(fā)展,以及Dialog在這方面提供的最新產(chǎn)品和解決方案。
移動(dòng)設(shè)備AC/DC電源適配器之大趨勢(shì)
大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備(包括智能手機(jī)和平板電腦)都需要AC/DC開(kāi)關(guān)電源適配器/充電器為電池充電。我們先來(lái)看一下大趨勢(shì)。如圖1所示,大約15年前,插在墻頭的充電器看上去簡(jiǎn)單且略顯笨重,其功率通常為5W或更低,具有固定的5V輸出電壓。
大約10年前,隨著智能手機(jī)的推出,整個(gè)行業(yè)過(guò)渡到了基于USB Type-A的便攜式電源適配器(Travel Adaptor)。功率增加到了7.5W和10W,輸出電壓仍固定在5V左右。
大約7到8年前,業(yè)內(nèi)開(kāi)始開(kāi)發(fā)快速充電解決方案,輸出電壓不再是固定的5V。它可以配置為9V、12V、或其他具有不同輸出電流的電壓水平,并且功率通常增加到15W、18W、或至25W。這一進(jìn)步主要是由多家手機(jī)端芯片組解決方案提供商和智能手機(jī)制造商共同推動(dòng)的。
近年來(lái),使用USB Type-C和USB PD技術(shù)來(lái)支持更高功率級(jí)別的快充成為新趨勢(shì)。市場(chǎng)上也相應(yīng)地出現(xiàn)了各種基于USB PD的便攜式電源適配器。它們支持的功率達(dá)到45W、65W及以上,具有較寬的輸出電壓和電流范圍(3.3V至21V,0至5A等)。盡管功率級(jí)別增加了,但電源適配器的大小并沒(méi)有成比例地增加。消費(fèi)者喜歡將電源適配器放在口袋里,沒(méi)人愿意攜帶一個(gè)笨重的電源適配器。這就意味著功率密度變得更高了。
圖 1:針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的AC/DC電源適配器發(fā)展趨勢(shì)
快充的工作原理
今天的智能手機(jī)(如5G手機(jī))具備更強(qiáng)的性能,例如更快的處理速度和更大的屏幕,這些需要由更大容量的電池來(lái)供電,目前已達(dá)到4000mAh至5000mAh或更高。但是,電池容量的增大不能以延長(zhǎng)充電時(shí)間為代價(jià),因?yàn)橄M(fèi)者不愿意在電池充電上等待太長(zhǎng)時(shí)間。所以,市場(chǎng)需要快充,這意味著需要快速地將電能從墻壁插座通過(guò)充電器和線纜傳輸?shù)绞謾C(jī)內(nèi)部的電池中。要提高充電速度,則需要更高的功率。
大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦通過(guò)USB線充電,默認(rèn)電壓為5V。通常,線纜和連接器有著可通過(guò)的最大電流限制,因此電源適配器需要增加其輸出電壓才能提高充電功率。這樣一來(lái),快充電源適配器便不再僅僅以5V電壓工作。新的適配器設(shè)計(jì)使其可以動(dòng)態(tài)地配置輸出電壓和電流。當(dāng)電源適配器初次插入墻壁插座時(shí),其輸出電壓仍為5V,之后智能手機(jī)將根據(jù)手機(jī)端的操作條件通過(guò)某些通信協(xié)議協(xié)商并請(qǐng)求不同的輸出電壓,電源適配器則可以相應(yīng)地調(diào)整其輸出電壓。
快充除了配置電壓外,還可以配置電流限制。有一種稱為“直接充電”的方法,可以繞過(guò)手機(jī)內(nèi)部基于DC/DC開(kāi)關(guān)電源變換器的電池充電電路,直接使用外部的AC/DC開(kāi)關(guān)電源為電池充電。這就需要以精細(xì)的步長(zhǎng)(例如20mV /步、50mA /步)對(duì)AC/DC電源適配器的輸出電壓和電流進(jìn)行更精確、更嚴(yán)格的調(diào)節(jié),以匹配電池的不同工作范圍和運(yùn)行狀況(例如:1S電池典型電壓范圍為3.7V至4.2V;2S典型電壓范圍為7.4V至8.4V)。
為什么使用Type-C和USB PD?
實(shí)現(xiàn)快充需要適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。到目前為止,業(yè)界還沒(méi)有統(tǒng)一的快充協(xié)議,基于D+/D- 的協(xié)議(例如高通Quick Charge QC2.0/3.0和某些OEM專有協(xié)議)和USB PD并存,而USB PD正成為一種新趨勢(shì)。USB PD是建立在USB Type-C連接器之上的通信協(xié)議,而USB Type-C是一種新的連接器技術(shù),它提供了各種擴(kuò)展的功能,比現(xiàn)有的A型/B型連接器具有更多的引腳,可支持高達(dá)100W的功率以及5A的更大電流。它的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正的通用性、正反可用性和便利性,實(shí)現(xiàn)線纜兩端都可以插,接口正反都可以用。它的尺寸小于A型/B型連接器,有助于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。它不僅適用于移動(dòng)設(shè)備,還適用于計(jì)算機(jī)、電視和其他消費(fèi)電子應(yīng)用,并得到所有主要OEM的支持。借助Type-C連接器,USB PD協(xié)議可以在一根線纜中組合、協(xié)商和傳輸電源、數(shù)據(jù)、視頻和音頻信息。USB PD協(xié)議涵蓋面廣,其標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展演變中。USB PD 2.0的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許多達(dá)7個(gè)電壓檔位,每檔都有相應(yīng)的電流限制;而支持可編程電源(PPS)協(xié)議的USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)還涵蓋了“直接充電”。這些功能和特性都為消費(fèi)者帶來(lái)了很多便利。
常規(guī)USB PD解決方案的局限性
常規(guī)的USB PD解決方案盡管功能齊全靈活,但對(duì)于移動(dòng)設(shè)備快充應(yīng)用來(lái)說(shuō),它們?nèi)源嬖谝恍┚窒扌?。它們通常沒(méi)有針對(duì)AC/DC功率變換進(jìn)行優(yōu)化,還具備一些電源適配器并不需要或不適用的功能,比如視頻和音頻模式;它們通?;贒SP或MCU,具有較高的固有控制器成本;它們需要諸多外部元件,從而導(dǎo)致較高的系統(tǒng)BOM成本;它們可能需要電源硬件工程師編寫軟件或firmware,從而導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和較長(zhǎng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。移動(dòng)設(shè)備快充,尤其是智能手機(jī)快充,占據(jù)了龐大消費(fèi)電子市場(chǎng)相當(dāng)份額,有必要對(duì)此應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化。
應(yīng)對(duì)功率變換的挑戰(zhàn)
除了通信協(xié)議之外,在功率變換方面,如圖2所示, 快充電源適配器設(shè)計(jì)還面臨許多挑戰(zhàn),例如嚴(yán)格的多級(jí)恒定電壓和恒定電流(CVCC)控制調(diào)節(jié)、高效率、低待機(jī)損耗、快速動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)、高功率密度、小型化、更低的EMI/EMC、強(qiáng)大的保護(hù)功能、滿足全球各種電源標(biāo)準(zhǔn)和不同OEM的特定要求、提供很好的用戶體驗(yàn) (例如無(wú)聽(tīng)覺(jué)噪聲)、實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)中成本低廉等等。其中,在高功率(45W及以上)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高功率密度已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門話題。當(dāng)然,高功率密度需要更高的效率和更低的功耗;此外,它要求將各種元件尺寸做到最小,并將包括變壓器在內(nèi)的所有功率器件和元件緊湊而恰當(dāng)?shù)胤庋b到小體積的適配器外殼中,且不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱或其他問(wèn)題。
圖2:快充電源適配器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
在高功率密度領(lǐng)域有多種技術(shù)和方法,例如更高的開(kāi)關(guān)頻率、諧振拓?fù)?、軟開(kāi)關(guān)、數(shù)字化智能控制、GaN器件的恰當(dāng)使用等。通常,對(duì)于AC/DC反激式拓?fù)?,通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的提升可以減小變壓器的體積并降低傳導(dǎo)損耗,有助于實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸。但是更高的開(kāi)關(guān)頻率也會(huì)帶來(lái)更高的 變壓器磁芯損耗和功率器件開(kāi)關(guān)損耗。作為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一個(gè)重要部分,零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)可降低開(kāi)關(guān)損耗并改善功率開(kāi)關(guān)器件的工作條件,從而在高開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)良好的效率,在滿足尺寸和散熱要求的同時(shí),使總體功率損耗保持在可接受的范圍內(nèi)。
Dialog的最新ZVS高功率密度AC/DC USB PD解決方案
Dialog致力于AC/DC功率變換技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已超過(guò)15年。近年來(lái),Dialog與行業(yè)合作伙伴和客戶緊密合作,在快充解決方案開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)培育中處于領(lǐng)先地位,發(fā)布了多代產(chǎn)品和解決方案。最近,為了滿足行業(yè)和市場(chǎng)需求,Dialog推出了最新的ZVS高功率密度USB PD解決方案。該方案基于iW9801和iW709芯片組,如圖3所示。
圖3:采用iW9801和iW709的ZVS高功率密度USB PD解決方案的典型應(yīng)用電路
作為一個(gè)顯著特點(diǎn),該解決方案使用了具有輔助繞組和低側(cè)輔助開(kāi)關(guān)(Aux. Sw)的ZVS反激式拓?fù)?。在打開(kāi)主開(kāi)關(guān)(Main Sw)之前,輔助開(kāi)關(guān)(Aux. Sw)會(huì)短暫導(dǎo)通一小段時(shí)間,使變壓器的電感和線路中的寄生電容產(chǎn)生諧振運(yùn)行,從而降低主開(kāi)關(guān)的電壓。通過(guò)Dialog的自適應(yīng)ZVS專利控制技術(shù),在線路輸入交流電壓、輸出直流電壓和負(fù)載電流的全范圍運(yùn)行條件下為主開(kāi)關(guān)創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)化的ZVS導(dǎo)通條件。在主開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)ZVS輔助繞組還部分回收了變壓器漏感上的能量,并降低了關(guān)斷損耗。與有源鉗位反激式(ACF)拓?fù)湎啾?,這種ZVS拓?fù)淇梢越档统杀?,因?yàn)樗恍枰邆?cè)驅(qū)動(dòng)器和高壓輔助開(kāi)關(guān)器件(通常600V或更高),而測(cè)試結(jié)果表明它可以達(dá)到與ACF拓?fù)鋷缀跬鹊男省?/div>
該解決方案將iW9801用作初級(jí)側(cè)控制器,iW709用作次級(jí)側(cè)控制器。iW9801使用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)ZVS和其他高性能功能,適用于45W及以上功率的快充應(yīng)用。電源適配器的體積取決于滿載效率和開(kāi)關(guān)頻率。為了滿足各種能效標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)在全負(fù)載范圍的高效率而不帶來(lái)聽(tīng)覺(jué)噪聲等問(wèn)題,iW9801采用了一種Dialog的自適應(yīng)多模式專利控制策略,在滿載和重載時(shí)采用高頻的PWM模式,從重載到輕載開(kāi)關(guān)頻率則相應(yīng)降低,其調(diào)制方式依次為PWM、PFM、DPWM(Deep PWM)和Burst模式。iW9801內(nèi)置了主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)器。其自適應(yīng)ZVS 根據(jù)適配器實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,采用準(zhǔn)確的數(shù)字算法,逐個(gè)開(kāi)關(guān)周期動(dòng)態(tài)地調(diào)整ZVS控制時(shí)序。因此,無(wú)論輸入輸出電壓及負(fù)載如何變化或者更換何種主MOSFET,自適應(yīng)ZVS都可以靈活應(yīng)對(duì),并保證ZVS的優(yōu)化實(shí)現(xiàn),從而大大降低開(kāi)關(guān)損耗并可實(shí)現(xiàn)較低的EMI。在上述功能基礎(chǔ)上iW9801還提供了一系列內(nèi)置的強(qiáng)大保護(hù)功能。
iW709集成了三種次級(jí)側(cè)的控制功能:USB PD 3.0協(xié)議支持、MOSFET同步整流器(SR)的驅(qū)動(dòng)控制、反激式拓?fù)浯渭?jí)側(cè)調(diào)節(jié)(SSR)。iW709已通過(guò)USB-IF 對(duì)PD3.0 (含 PPS)的權(quán)威認(rèn)證測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了以精細(xì)的步長(zhǎng)(20mV /步、50mA /步)支持3.3V至21V寬范圍輸出。iW709協(xié)議功能同時(shí)支持高通Quick Charge QC4+,針對(duì)快充電源的要求和特性進(jìn)行了優(yōu)化,并集成了USB VBUS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制,為外部設(shè)備提供保護(hù)。iW709的SR控制單元針對(duì)高頻應(yīng)用優(yōu)化了SR MOSFET開(kāi)/關(guān)時(shí)序,并使用專利技術(shù)針對(duì)ZVS或ACF進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。它具有自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓,可以保證快速的關(guān)斷,從而對(duì)CCM控制提供更好的支持。它的智能化精準(zhǔn)電壓檢測(cè)可以防止同步整流管誤導(dǎo)通。自適應(yīng)時(shí)序控制使芯片應(yīng)用于更寬的頻率范圍,接受更大的系統(tǒng)容差。在電壓電流閉環(huán)控制方面,iW9801/iW709芯片組能以非常精細(xì)的步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的多級(jí)電壓電流CVCC調(diào)節(jié),并在典型的45W設(shè)計(jì)中滿足低于20mW的空載待機(jī)損耗要求。借助芯片內(nèi)置的SSR數(shù)字補(bǔ)償,該芯片組消除了對(duì)外部環(huán)路補(bǔ)償元件的需求,同時(shí)在所有工作條件下保持穩(wěn)定性。
與常規(guī)的USB PD控制器相比,iW709特別針對(duì)AC/DC功率變換進(jìn)行了優(yōu)化, 包括:
● 專門為便攜式電源適配器應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),去掉了電源不適用或不需要的功能(例如:視頻和音頻模式)。
● 使用基于狀態(tài)機(jī)的數(shù)字邏輯,并進(jìn)行了優(yōu)化處理,降低了自身成本。
● 需要較少的外部元件和系統(tǒng)BOM成本。
● 無(wú)需編寫軟件或firmware,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
圖4顯示了一個(gè)采用iW9801/iW709解決方案的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計(jì)樣品照片。它完全支持PD3.0協(xié)議以及PPS,包含多種輸出:5V3A、9V3A、15V3A、20V3A、20V3.25A、15V_prog(3.3V-16V/3A)和20V_prog(3.3V-21V/3A)。對(duì)于15V輸出,在115V AC下測(cè)得的滿載效率為93.23%,在230V AC下測(cè)得為94.02%;對(duì)于20V輸出,在115V AC下測(cè)得的滿載效率為93.08%,在230V AC下測(cè)得為93.93%。該65W設(shè)計(jì)使用Silicon MOSFET 作為功率開(kāi)關(guān)器件,全部元器件裝在單塊PCB上,并已經(jīng)過(guò)全面測(cè)試,滿足所有電氣、散熱和安全要求。
圖4:采用了 iW9801和iW709的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計(jì)樣品照片
除了支持高功率(45W及以上)及高功率密度的基于iW9801的ZVS解決方案之外,Dialog還推出了以iW9809為初級(jí)側(cè)控制器的準(zhǔn)諧振(QR)解決方案,目標(biāo)應(yīng)用是低成本低功率(40W及以下)的場(chǎng)合(圖5)。iW9809控制反激式電路中的單個(gè)功率開(kāi)關(guān),不使用ZVS輔助開(kāi)關(guān)。它的準(zhǔn)諧振方式采用Dialog的恒定開(kāi)關(guān)頻率QR專利技術(shù),與自適應(yīng)多模式開(kāi)關(guān)調(diào)制策略(PWM、PFM、 DPWM和Burst)無(wú)縫對(duì)接共同運(yùn)行,可為目標(biāo)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳的尺寸、高效率、低EMI共模噪聲和低聽(tīng)覺(jué)噪聲等良好性能。與iW9801相似,iW9809可以與iW709配合使用,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的低成本USB PD解決方案,同時(shí)空載待機(jī)損耗低于20mW。
圖5:采用iW9809和iW709的低成本USB PD 解決方案典型應(yīng)用電路圖
小結(jié)
當(dāng)前,AD/DC快充領(lǐng)域正迅速地向高功率等級(jí)、高功率密度、小型化、全面支持多種通訊協(xié)議(包括USB PD)、高性能、低成本等方向發(fā)展。本文探討了一些相關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn),并介紹了Dialog最新的基于iW9801和iW709芯片組的ZVS高功率密度USB PD解決方案。沿著這個(gè)方向,在業(yè)界人士不懈努力不斷創(chuàng)新中,下一代的快充技術(shù)必將更上一個(gè)臺(tái)階,以更優(yōu)異的產(chǎn)品和方案滿足廣大消費(fèi)者的需求。
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