安森美半導體實現(xiàn)高通快速充電QC 3.0的方案優(yōu)化能效

如今，智能手機、平板電腦等便攜式設備隨著用戶的所需而不斷增大屏幕和增多功能，耗電量明顯增加，如何延長電池續(xù)航時間成為工程師需要解決的重要問題。同時，用戶需要快速充電，使電源適配器所需的功率也增加，高通快速充電技術是應此需求而生。

高通快速充電技術概覽

采用傳統(tǒng)的5 V輸入電壓充電，由于輸出大電流和線性阻抗產生的壓降限制電池充電IC輸入對輸出電壓余量，且產生更多熱量和能效損失導致手機系統(tǒng)顯著發(fā)熱，而減小輸出電流則需要更長的充電時間。高通快速充電技術突破傳統(tǒng)5 V充電的限制，減少線路損耗，為電池充電IC提供充足的余量，改善熱性能，實現(xiàn)更高轉換能效，大大縮短充電時間。例如，若電纜電阻300 mΩ，便攜式設備中總電阻300 mΩ，采用傳統(tǒng)的5 V電壓充電，根據USB電池充電規(guī)范1.2版(USB BC 1.2)，Micro USB電纜的最大電流限制在1.8 A，輸入功率為9 W，功耗為(1.8)2 x(0.3 + 0.3)=1.94 W，能效損失達到22%;若采用高通快速充電，將輸入電壓提高至9 V，在相同輸入功率9 W的情況下，輸入電流為1 A，此時功耗僅為12 x (0.3 + 0.3) = 0.6 W，能效損失僅為5 V/1.8 A的1/3，減小發(fā)熱量，且實現(xiàn)更快充電。

高通快速充電現(xiàn)已升級至QC 3.0，比上一代QC 2.0更進一步提升充電效率和加快充電速度。QC 2.0提供5V、9V、12V和20V四檔充電電壓，QC 3.0則以200 mV為步幅，提供從3.6 V到20 V電壓的靈活選擇。采用高通 QC 3.0時，便攜式設備通過USB接口的D+和D-信號提交電壓選擇請求，在同一時間可能有不規(guī)律的USB數(shù)據通信。關于QC3.0支持的總線電壓(VBUS) 范圍，A級為3.6 V至12 V，B級為3.6 V至20 V。QC 3.0在分立模式下等同于QC 2.0，以0 V、0.6 v、3.3 V三級邏輯通過靜態(tài)D+/D- 值選擇VBUS;在連續(xù)模式下，新的QC 3.0以200 mV小步幅增加或降低VBUS，讓便攜式設備選擇最適合的電壓達到理想充電效率，更具靈活性，其最大負載電流限制為3 A，最高功率可達60 W。

QC 3.0兼容于先前的QC版本，并可支持最新的USB Type-C接口，其工作原理是：在電源適配器里的次級端需要一個IC經由USB電纜來連接高通IC，USB D+和D-用于發(fā)送來自便攜式設備的信息到適配器，次級端控制器處理所需的輸出電壓，解碼D+和D-信號信息，請求初級端AC-DC控制器通過光耦來調節(jié)所需的輸出電壓，從而減小損耗，提高充電效率。

圖1：QC 3.0的工作原理圖

安森美半導體實現(xiàn)高通QC 3.0的完整方案

安森美半導體致力于推動高能效創(chuàng)新，是全球電源方案的領袖，為配合新一代快速充電技術，公司推出符合新的高通QC 3.0的AC-DC適配器方案，支持更小尺寸的適配器，具有能效高、空載待機能耗低等優(yōu)勢，支持高通QC 3.0高壓專用充電端口(HVDCP)A級和B級規(guī)格，和向后兼容舊的QC 2.0協(xié)議，并符合UL認證和歐盟能效標準(CoC V5 Tier-2)要求，提供領先業(yè)界的高能效。該方案集成NCP4371次級端充電控制器、NCP4308同步整流(SR)控制器和NCP1361/6初級端穩(wěn)流準諧振(QR) PWM控制器。

其中，NCP4371次級端QC3.0充電控制器支持充電器USB VBUS根據手機或便攜式設備的需求而變化，為優(yōu)化電池充電時間，USB VBUS可在3.6 V-20 V以分立步幅配置，兼容USB BC 1.2，提供+/-3%的恒壓和恒流調節(jié)，內置可配置的功率限制功能，具備內部或外部放電功能選擇，軟短路限流降至VBUS = 2.2 V，外部元件少，無需次級端并聯(lián)穩(wěn)壓器如TL431，就能實現(xiàn)一個充電器設計，節(jié)省了成本和所需空間。

圖2：NCP4371應用原理圖

需要注意的是，NCP4371支援恒定功率和恒定電流模式。一般而言，USB Type-A的最大電流為1.5 A至2.0 A， Type-C的最大電流為3.0 A或5.0 A。在恒定功率模式下，如果降低輸出電壓，必然導致輸出電流增加，進而產生更多損耗，因而我們必須限制恒定功率模式下的最大電流。NCP4371功率選擇A針對采用QC 3.0 A級的小功率應用，并定義了5條電流限制曲線，功率選擇B適用于QC 3.0 A級和B級的大功率應用，并定義了8條電流限制曲線，這樣最大輸出電流可被限制到期望值，功率選擇C則無功率限制。在具體設計中，需根據實際需要，選擇NCP4371的不同版本：首先選擇所需的功率限制，然后從“RSENSE vs. POUT 圖”中選擇電流檢測電阻值，最后使用電流限制選型圖選擇電流限制器件代碼。

圖3：RSENSE vs. POUT 圖及電流限制選型圖

NCP1361是針對混合架構(PSR=CC; TL+Opto=CV)配置的初級端穩(wěn)壓和穩(wěn)流器。它工作在準諧振峰值電流模式，采用頻率鉗位控制(80 kHz或110)，輕載模式下提供固定峰值電流和深度頻率反走，采用初級端穩(wěn)流，而無需次級反饋回路，減少外部元件，節(jié)省占板空間，啟動時間少，實現(xiàn)高平均能效和低待機能耗。準諧振模式的優(yōu)勢在于，谷底鎖定防止帶噪聲的谷跳，而谷底開關提升能效。

圖4：NCP1361典型應用電路

NCP4308同步整流控制器則作為實現(xiàn)高功率密度的一個選擇，具有高灌電流和驅動電流(8 A 灌電流 / 4 A 驅動電流)，通過減少交叉導通提升正常模式能效，無需輔助電源繞組，提供寬電源電壓范圍，電流檢測引腳高達100 V，具備超快關斷觸發(fā)、可調節(jié)的最小導通/關斷時間、自適應門極驅動、精密的真正的零電流檢測(ZCD)、低啟動電流和低待機電流，帶輕載和空載模式，用于10-30 W充電器。

能效測試

在安森美半導體的QC 3.0快速充電器評估板端，通過USB連接器測得該方案在5 V輸出時的待機能耗低于75 mW，在5 V、9 V、12 V輸出時的能效最高可接近90%，紋波和噪聲小于80 mV，電壓和電流調節(jié)精度達到+/-5%，啟動時間小于1.5 秒，并且提供極佳的共模噪聲抑制、抗電磁輻射(EMI)傳導干擾和輻射干擾。

總結

快充技術有效地解決了智能手機和平板電腦等便攜式設備在續(xù)航時間方面的瓶頸問題，正迅速獲得便攜式廠商的認可和消費市場的極大關注。安森美半導體實現(xiàn)高通QC 3.0的方案提供從3.6 V至20 V更靈活的電壓選擇，優(yōu)化充電時間，可理想地實現(xiàn)平滑的電壓轉換，在各種負載條件下都提供高能效，還有助于節(jié)省成本和所需空間，并向后兼容QC 2.0協(xié)議，同時符合UL認證和CoC V5 Tier-2等歐盟能效標準要求。