USB—C升降壓電池充電器芯片探討

王瑩

USB-C正顛覆現(xiàn)有的USB技術

USB-Ci在升溫。2015年4月，蘋果推出了具有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接口，就可以實現(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，這使得蘋果的12寸MacBook比前代產品輕薄更多。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、更快喚醒和更長電池續(xù)航時間，在此互動之下，超極本、平板電腦、移動電源等越來越多的電子產品開始采用USB-C連接器。

這時，傳統(tǒng)的降壓充電方法不靈了，需要“升壓一降壓”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市場營銷與應用總監(jiān)魏佳分析道，從傳統(tǒng)的A/B接口變成新的USB-C接口時，在電源管理上會有很大改變?，F(xiàn)在的電子設備通常會有兩大類，一類是電池由好幾節(jié)串起來的，典型的產品諸如筆記本電腦，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。因為一節(jié)電池充滿的時候，電壓通常會在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，那么在進行充電時，只需要使用一種降壓技術就可以充電，在電路上，一種降壓技術就可以來達到此目的。

對于手機及絕大多數(shù)平板電腦等功率較低的電子設備，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現(xiàn)了。

綜上所述，兩類不同的產品——多節(jié)電池和一節(jié)電池的產品，從電池充電的技術上來看，本質上沒有任何區(qū)別，都是降壓充電，即Buck電路就可以實現(xiàn)。

但是隨著新的USB-C接口的出現(xiàn)，情況不同了。USB-C的目的是為了達到一個接口可以連接所有電子產品。這意味著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的電壓不再是一個傳統(tǒng)的5V，它因為要向前兼容，所以它一定有5V，USB-C同時可以把電壓調節(jié)到最高到20V和5A，且100W的臺自力。如圖1，右側部分，左邊的電源是用來充電的電壓，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，已經不存在一個固定的電源電壓高于電池電壓這種關系。這很麻煩，因為先前的市場沒有一個能夠升壓一降壓的充電器。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?！癘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，可減少一個升壓器IC和電感，幫助客戶節(jié)省物料成本多達40%。”另外，ISL9237利用Intersil的R3調制專利技術，實現(xiàn)無噪聲運行、高的輕負載效率和超快瞬態(tài)響應，以延長電池續(xù)航時間。

解決嗡嗡聲的調制技術

Intersil有一個王牌的專利技術R3開關電源調制技術，這次也應用于升/降壓充電過程中。R3是0ntersil大約十年前開發(fā)出來的，最早應用在給Intel CPU和AMD CPU供電中。這種調制技術的重要特點是瞬態(tài)響應較好，輕負載效率較高，可以延長電池續(xù)航時間。但是在現(xiàn)在這個升降壓領域內，有個更重要的指標，大家更關注的是被稱為AcousticNoise聲噪問題。這種聲音就是你拿個電子設備在耳朵邊，能聽到嗡嗡聲，像小蚊子哼一樣，它的產生是因為正傳送能量的過程之中，由瓷片電容引起的，瓷片電容有電流進出的時候，會引發(fā)機械震動，這種機械的震動如果正好是在音頻20 kHz以下，入耳能夠聽見。但是過去這是一件小事，因為電子設備通常有風扇，可能把這個聲音湮沒掉，但是現(xiàn)在的產品很多是無風扇的，所以這個聲音引起了重視。Intersil的R3解決了此問題，“應該說在電池充電領域里，我們可能是唯一一家能夠提供這種技術的廠商。”魏佳說，“其他做電池充電技術的廠商，可能都遇到這個問題。解決起來很麻煩，不得不采用很多增加產品成本的方法來解決它?！?/p>

具體地，引起嗡嗡聲的是開關電源，開關電源通常開關頻率比較高，經常是1MHz或幾百kHz的頻率，這樣的頻率，我們的耳朵是聽不見的。但是現(xiàn)在因為大家都想電池要續(xù)航時間長，因此電壓輸出較高的時候，就要降低開關頻率的頻率，問題是在系統(tǒng)負載不是很大的時候，開關頻率會變得很低，當這個頻率低到20 kHz以下的時候，人的耳朵就可以聽見了。這時候重要的是要保證在每一個開關周期傳輸?shù)哪芰勘M量小。因為人耳能聽見這個噪聲，每一個開關頻率送過來的能量，最終引發(fā)瓷片電容機械振動，這個能量如果過大，就會聽到。

這就牽扯到R3調制技術。Intersil的做法就是在開關頻率降低的時候，把整個能量的傳輸均勻地分布到每一個開關周期上去。這樣每一個周期里傳輸?shù)哪芰烤褪亲钚〉摹?/p>

而一家競爭對手的做法是采用BurstMode（觸發(fā)模式）。這種調制的局限會造成噪音問題。因為其方法是連續(xù)幾個周期打幾個Pulse（脈沖）傳能量，然后歇上一陣子，再連續(xù)打幾個Pulse傳能量，再歇一陣子。問題就在于打幾個Pulse的時候，相當于一次性送過去一個較大的能量，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其他的不同的電容來做，但是尺寸又變大了。

快充使USB-C流行起來

USB口要從5V變到USB-C口的原因之一，是可以升到20V，這樣可以實現(xiàn)快充。USB線現(xiàn)在最常見的問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，這對于比較大的電池來說，充電時間的確會較長。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，這時候有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Ｒ驗楝F(xiàn)在的電子設備電池容量越做越大，手機的續(xù)航時間越來越久，但是帶來的充電挑戰(zhàn)會越來越大。”但這引起的另一個挑戰(zhàn)是，如果是5V充電，原來要升壓充電，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新的充電模式的原因。