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(xiàn)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(xiàn)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(shè)備更輕薄、更快喚醒和更長(zhǎng)電池續(xù)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(tǒng)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(nèi)首款支持雙向輸電的單芯片ISL9237。Intersil市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與應(yīng)用總監(jiān)魏佳分析道，從傳統(tǒng)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(xiàn)在的電子設(shè)備通常會(huì)有兩大類，一類是電池由好幾節(jié)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(jié)、三節(jié)甚至四節(jié)，但通常都是鋰電池串起來(lái)。因?yàn)橐还?jié)電池充滿的時(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(yuǎn)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(dá)到此目的。

　　對(duì)于手機(jī)及絕大多數(shù)平板電腦等功率較低的電子設(shè)備，它們都是用一節(jié)鋰電池，一節(jié)鋰電池的最高電壓只有4.3V，其非常適合傳統(tǒng)的USB A和B這兩種充電方法。因?yàn)閁SB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(xiàn)了。

　　綜上所述，兩類不同的產(chǎn)品——多節(jié)電池和一節(jié)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(qū)別，都是降壓充電，即Buck電路就可以實(shí)現(xiàn)。

　　但是隨著新的USB-C接口的出現(xiàn)，情況不同了。USB-C的目的是為了達(dá)到一個(gè)接口可以連接所有電子產(chǎn)品。這意味著所有的筆記本電腦和手機(jī)、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(tǒng)的5V，它因?yàn)橐蚯凹嫒荩运欢ㄓ?V，USB-C同時(shí)可以把電壓調(diào)節(jié)到最高到20V和5A，即100W的能力。如圖1，右側(cè)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，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?yàn)橄惹暗氖袌?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，魏佳稱其堪稱業(yè)內(nèi)第一款給大眾客戶使用的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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，可減少一個(gè)升壓器IC和電感，幫助客戶節(jié)省物料成本多達(dá)40%?！绷硗猓琁SL9237利用Intersil的R3調(diào)制專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲運(yùn)行、高的輕負(fù)載效率和超快瞬態(tài)響應(yīng)，以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

解決嗡嗡聲的調(diào)制技術(shù)

　　Intersil有一個(gè)王牌的專利技術(shù)——R3開(kāi)關(guān)電源調(diào)制技術(shù)，這次也應(yīng)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(yīng)用在給Intel CPU和AMD CPU供電中。這種調(diào)制技術(shù)的重要特點(diǎn)是瞬態(tài)響應(yīng)較好，輕負(fù)載效率較高，可以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。但是在現(xiàn)在這個(gè)升降壓領(lǐng)域內(nèi)，有個(gè)更重要的指標(biāo)，大家更關(guān)注的是被稱為Acoustic Noise聲噪問(wèn)題。這種聲音就是你拿個(gè)電子設(shè)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?yàn)樵趥魉湍芰康倪^(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(jī)械震動(dòng)，這種機(jī)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?yàn)殡娮釉O(shè)備通常有風(fēng)扇，可能把這個(gè)聲音湮沒(méi)掉，但是現(xiàn)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(yīng)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)的廠商?！蔽杭颜f(shuō)，“其他做電池充電技術(shù)的廠商，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。”

　　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(xiàn)在因?yàn)榇蠹叶枷腚姵匾m(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，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(tǒng)負(fù)載不是很大的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)變得很低，當(dāng)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?shù)哪芰勘M量小。因?yàn)槿硕苈?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(jī)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(diào)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?shù)哪芰烤褪亲钚〉摹?/p>

　　而一家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的做法是采用Burst Mode(觸發(fā)模式)。這種調(diào)制的局限會(huì)造成噪音問(wèn)題。因?yàn)槠浞椒ㄊ沁B續(xù)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(xù)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(dāng)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(dāng)然，對(duì)嗡嗡聲也是有解決辦法的。最簡(jiǎn)單的解決辦法，因?yàn)榇善娙萦新曇簦纱嗖挥么善娙?，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(xiàn)快充。USB線現(xiàn)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(xiàn)在的USB口只有5V，就算3A的線，也就只有15W充電的速度，這對(duì)于比較大的電池來(lái)說(shuō)，充電時(shí)間的確會(huì)較長(zhǎng)。所以在USB-C的架構(gòu)下面，把USB口的電壓從5V升到20V。就算還是用3A線，這時(shí)候有60W的充電功率，就相當(dāng)于把充電速度提高到4倍?！俺潆娝俣瓤旌苤匾?。因?yàn)楝F(xiàn)在的電子設(shè)備電池容量越做越大，手機(jī)的續(xù)航時(shí)間越來(lái)越久，但是帶來(lái)的充電挑戰(zhàn)會(huì)越來(lái)越大?！钡@引起的另一個(gè)挑戰(zhàn)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(guó)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。