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快充火了,Type-C的春天还会远吗?

日期: 2016-09-22
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近年来,用户使用智能手机体验中如宽带无线通信、图像处理(高像素及日益热火的双摄拍照,视频),音频(如HIFI),屏幕分辨率等多方面的需求日益迫切,智能手机CPU、GPU等运算电路处理能力不断增强,这一切都将导致智能手机整体能耗需求将成指数增长。

而与此同时,电池容量却呈线性缓慢增长。能耗需求缺口逐渐拉大,电池技术迟迟无法突破,成为终端使用的最大瓶颈。在之前的客户使用的解决方案中,是简单的通过增加电池体积和双电池(包括背包电池)来实现电池容量的增加,但可以看到,电池体积的增加与手机轻薄设计的理念矛盾日益突出!在电池技术未突破的情况下,为了解决这一矛盾,高压大容量电池出现了,电池充满电压从原来的4.2V提升至4.35V/4.4V。

电池容量的增加解决了智能手机的续航体验,与此同时,快速充电解决方案越来越影响用户体验,并已成为市场竞争热点。 

一、快速充电技术种类:

目前市面的快速充电技术可分为两种:

1.1:快速充电技术之高压快充

高压快充方案通过提高电源适配器输出电压来提高终端充电功率和速率,相比于低压大电流的优势在于:

1)大幅度抬高输入功率的情况下,输入电流增加的很有限,对充电链路上的接口件要求低了,

2)很好的解决了线损的影响;

下图一,高压充电方案的典型代表有如下几家:

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 图一高压快充方案代表厂家 

1.1.1   高通的QuickCharge方案

高通QuickCharge采用高压快充标准。目前高通QC充电技术有两个版本,分别是QC2.0和QC3.0。

QC 3.0采用了最佳电压智慧协商(INOV)技术,可让受电装置自行判断,以最适合的功率级别进行充电,将能源转换效率最大化。另外,其电压选项范围更宽,移动终端可动态调整到其支持的最佳电压水平。 具体来说,Quick Charge 3.0支持更细化的电压选择:以200mV增量为一档,提供从3.6V到20V电压的灵活选择。

1.1.2   联发科Pump Express Plus

联发科Pump Express快充技术与高通QC2.0虽在实现方式上有所不同,却有异曲同工之妙。高通QC2.0是通过USB端口的D+和D-(时序再配合组合电压)进行通讯实现调压,而联发科的Pump Express快充技术,是通过USB端口的VBUS来向充电器通讯(电流调制)并申请相应的输出电压的,但最终的目的是提升充电器的电压到5V/7V/9V。

联发科Pump Express快充技术与高通QC2.0快充技术,优点是提高了充电器的输出电压,解决了充电电流的限制,但由于充电器的调压档跨度比较大,带来手机端充电路效率偏低,发热量大的问题。

MTK Pump Express Plus快充技术随之诞生,Pump Express Plus技术与高通QC3.0类似,增加了调压档数,每档200mV。 手机可以根据电池当前电压以及充电环路衰减,向充电器申请合适的电压,以达到以电效率的最大化,以进一步降低手机在充电过程中的发热量。 

1.2  快速充电技术之低压快充

通过提高电源适配器输出电流来提高终端充电功率和速率。

相对于高压充电,低压快充的优势主要体现在:

1)转换效率高

2)兼容性好

3)通讯简单,整体成本优势非常明显。

低压快充目前两种实现方案实施思路:

1.2.1  5V大电流充电方案

目前业界有能力提供高品质快充芯片的厂家十分有限,主要还是以德州仪器,仙童半导体等少数几家国外大厂为主,譬如5V/1.5A解决方案BQ24157/FAN54015,5V/3A解决方案BQ24296,5V/5A解决方案BQ25890等;

国内的芯导电子Prisemi经过几年坚持不懈的自主研发,也推出了一系列的快充芯片,如5V/1.5A解决方案 PSC5415A,升级版5V/2A解决方案 PSC5420,5V/3A解决方案PSC2925/PSC2935,同时Prisemi也在加大资源投入研发5V/5A解决方案PSC2945等。芯导快充产品驱动能力强,预留了充足余量,效率高,另外依靠芯导Prisemi在EOS上的优势,可以给客户在充电IC浪涌防护这一块提供一站式服务。目前芯导快充产品已经通过MTK平台认证,并已在各大手机方案商和品牌商得到广泛的应用。

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图二PSC5415A应用电路,兼容BQ24157/FAN54015

1.2.2  低压直冲(Direct Charge)充电方案

代表厂家有:

(1)OPPO

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OPPO的VOOC闪充技术与传统充电最大的区别在于,创新性的将充电控制电路移植到了适配器端,也就是将最大的发热源移植到了适配器。这样控制电路在适配器,而被充电的电池在手机端,充电时手机发热得以很好的解决。为了更好的对充电流程进行控制 (比如控制电路需要实时监测电池电压、温度等),OPPO特别在适配器端加入了智能控制芯片MCU,适配器端实现了充电控制电路,智能控制充电的整个流程。

(2)MTK PE 3.0

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  联发科今年重磅推出自家最新快充解决方案Pump Express 3.0解决方案,区别于普通快充方案,联发科Pump Express 3.0是全球首款采用了USB Type-C接口直接充电的快充方案,电源的电流直接传送至电池,省去了普通快充方案所需的充电线路,这样做将直接降低手机充电时的温度,其次,Pump Express 3.0快充解决方案带来了更快的充电速度,官方称基于Pump Express 3.0终端产品充5分钟可让用户通话4小时(官方实验数据)。
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图三PE 3.0快充方案全兼容性

如上图所示,联发科Pump Express 3.0快充方案全兼容性。

二、快充解决方案与USB线缆,接口之间的选择考虑

可以看到,目前市面上手机的USB通讯协议其实还是USB2.0规格的,这源于在笔记本/主板领域USB2.0过渡到usb3.1 type c接口的普及速度及手机、平板用户对USB的传输速度(USB2.0的数据率480Mbps,USB3.0或者USB3.1的数据率高达5Gbps或者10Gbps)的体验需求不强烈,同时USB2.0充电规格,如下图所示,基本也能满足手机、平板的需求。但使用的USB数据线接口却有Micro-USB和Type-C两种。

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图四 USB充电规格

方案设计时,选择Micro-USB或者Type-C的考虑是什么?为了更深入的使读者了解,下文通过分析快充的影响因素来说明。

2.1  快充的影响因素

2.1.1  充电通路阻抗

充电通路阻抗主要包括USB线缆的寄生电阻,充电IC通路阻抗,PCB走线阻抗,电池连接器接触阻抗及电池内阻等。

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 图五 充电通路阻抗示意图


考虑阻抗因素,充电环路所能允许的最大充电电流是如何计算的呢?如下图为例,充电环路阻抗约0.32Ω ,对于常规5V充电技术,那对于4.2V和4.35V电池最大充电电流有以下公式:

  (5-4.2)/0.32=2.5A    (5V input source, Battery CV=4.2V)

  (5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source, Battery CV=4.35V)

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 图六充电通路阻抗

不合适的充电环路阻抗所造成的线损,成为快充的瓶颈!

2.1.2  充电接口

Micro USB接口理论上能承受的最大的电流是 1.5A,电流超过这个值后,就会因为过度发热而影响寿命甚至损坏。所以当充电电流超过 1.5A 时,需要跟供应商确认所提供的连接器是否能够支持所设计的电流。

如下图,Type-C接口因为增加了四组VBUS/GND引脚,电流能力大大加强,最大可以支持20V/5A。另外,Type-C支持正反插,使用的便利性增强。

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图七 Type-C 接口示意图


综上,快充方案的选择,考虑影响快充的因素,对于5V/1.5A快充方案,推荐使用Micro-USB接口,对于5V/2A及以上的快充方案,建议使用Type-C接口,提升USB接口过电流的能力,同时需要有效降低USB线缆阻抗,以减低线损。

可以看到,随着大电流充电方案的使用,Type-C接口的使用量会呈现爆炸式的增长!


三、Prisemi快充解决方案的特性与优势

Prisemi公司从2011年起推出高性价比BJT+NMOS(即PT236T30E2+PNM723T703E0-2)分离式线性充电方案以及PNMT6N1/PNMT6N2二合一线性充电解决方案,累计出货超过10亿只,获得了广大用户的认可,同时公司从2011年开始预研开关快速充电芯片,积极进行研发资源和资金投入,截止目前己陆续向市场提供高品质性能的5V 1.5A-3.5A大电流及高压充电芯片及解决方案,实现了从线性充电到开关充电,从分立功率器件到高性能模拟IC的巨大跨越!

Prisemi快充解决方案支持多种电池类型的充电,涵盖4.2V/4.35V/4.4V主流规格,精度达到±0.5%,具有很高的性价比!

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 图七Prisemi快充解决方案


关于Prisemi

上海芯导电子科技有限公司(Prisemi)是一家专注于高品质、高性能的模拟集成电路和功率器件开发及销售的芯片公司,总部位于上海张江高科技园区,产品涵盖专用集成电路芯片(锂电池快充、LED背光/闪光灯驱动、移动电源主控、段式LCD驱动芯片等)和半导体功率器件(TVS、MOSFET、TSS 、Transistor、Diode等)。

芯导电子拥有先进的集成电路和功率器件的设计、工艺、测试技术和质量管理经验,历来十分重视研发投入,建立了先进的品质保证体系,秉承技术先进、质量可靠、持续改进的品质管理方针,确保产品达到完美品质。

芯导电子一直以用户需求为核心,在深耕国内市场开拓的同时,积极拓展海外市场,目前产品已远销欧美日韩及东南亚等国家与地区,在智能终端、网络通信、安防工控、汽车电子、智能家居、照明等应用领域具有卓越的产品及整体方案优势。

芯导电·子愿以领先的设计、卓越的品质、专业可控的交付能力,百尺竿头更进一步,致力成为模拟电路及功率器件产业的领导者!










来源: 芯导电子  王东将  手机技术资讯 手机技术资讯
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