移动充电器革命：实现最小尺寸和最佳功率 市场调查, 充电器, 电池, 用户

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作者：飞兆半导体公司 Dean Fu

您使用便携式设备时遇到的最大麻烦是什么？ 市场调查表面：电池循环时间（即两次充电之间的时间长度）是便携式设备用户最希望改进的方面。但是，用户的烦恼似乎无法轻易减轻，因为便携式设备制造过程所涉及的部分关键设计因素（例如更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更强大的移动处理器）只会加快电池的耗尽速度，加重电池循环时间的缺陷。最近，市场上已推出屏幕尺寸为4.3英寸和4.7英寸、屏幕分辨率为720p的便携式设备，部分屏幕尺寸甚至达到5英寸。与早期尺寸较小且分辨率较低的屏幕相比，这些显示器需要更多电量才能使LCD屏幕维持令人满意的亮度级别。下表显示了近几年屏幕分辨率的发展。



智能手机的屏幕分辨率（来源： 东森新闻)

DisplaySearch公司进行的另一项调查也表明：移动设备的屏幕分辨率持续提高。图1显示了2010年像素密度在200 ppi以上的移动设备的份额仅为22%。到2015年，此份额将上升至 50%，2018年将进一步达到55%。



图1：市场份额（按屏幕像素密度）（来源： DisplaySearch）

我们可以看到移动处理器也遇到了同样的问题。在很短的时间内，处理器已从单核架构过渡到四核架构。虽然当今的CPU采用高级处理技术，但功耗仍持续增加。当然，LCD屏幕和处理器并不是导致功耗增加的唯一因素。如果考虑所有可能因素，则在追逐“Mobile Everywhere”（移动无处不在）的趋势下，便携式设备的电池容量需求将不可避免地升高。这似乎成了最终用户减轻电池循环时间烦恼的最简单方法。

增加电池容量看似容易，但会导致许多问题，充电器的最佳额定功率便是有待解决的因素之一。长久以来，USB充电器标准促使制造商将5 V/1 A功率格式广泛应用于智能手机充电器。由于电池容量的趋势是从当前的1800 mAh增加到3500 mAh，未来可能更高，因此5 V/1 A充电器明显不足。使用目前的5 V/1 A格式充电器为较大的电池充电时，等待过程会使用户抓狂。另外，在拼命延长电池循环时间的同时会产生另一个问题：散热。制造商面临的巨大设计挑战是大功率充电器的高温问题。用1 A的电流给2000 mAh以上的电池充电将产生高温，因为充电器保持全负载时间更长，长期产生的热量将使充电器外壳的温度升高。考虑到以上问题，充电器行业如何才能打破更大电池容量的瓶颈呢？

要在合理的时间内将容量更大的电池充满电，制造商可采用的最简单方法就是增加充电器的额定功率。根据USB标准的5 V输出，部分制造商选择将工作电流从1 A增加到2 A或3 A 以缩短充电时间；其他制造商则选择增加工作电压以提高效率。虽然业界看似没有统一的标准，但至少目前仍有一些适用的基本准则。为了省电，业界对便携充电器设计始终具有一些基本的“必需”要求，例如高度紧凑的充电器尺寸（假如是设计用于移动设备）和较低的待机功耗。最为重要的是，任何新的、更强大的充电器必须兼顾安全性和功能。如果满足了所有这些要求，我们相信最终用户乐于见到安全高效的充电器，也就是能够提供充足充电能力且额定功率超出当前USB充电器标准的充电器。

充分发挥微型充电器的充电能力并不是件容易的事，但在累积了多年的充电器解决方案开发经验之后，业界已经有一些方向可以遵循。

·要保持高度紧凑的充电器尺寸，至关重要的环节是变压器选择。如果我们要顺应充电器尺寸不断缩小的趋势，则需要具有较高开关频率的PWM控制器。工作频率相对较高（例如 85 kHz）的PWM控制器可让您选择尺寸较小的变压器（约为控制器工作频率为50kHz时所需的变压器尺寸的三分之一）。目前，工作频率为140 kHz的PWM控制器已经上市，制造商能够进一步缩小变压器的尺寸。下面的图2显示了用于5 W/50 kHz充电器的变压器（左边）与用于5 W/85 kHz充电器的变压器（右边）的尺寸对比。



图2：工作频率为50 kHz的变压器（左边）与工作频率为85 kHz（右边）的变压器的尺寸差别。

●下一个设计考虑因素是效率。要充分发挥微型充电器的充电能力，效率显然是个关键问题，因为这直接影响发热量。AC-DC转换导致产生一定程度的功率损耗是相当常见的情况，如果所有损耗均符合同一个比率，则增加额定功率甚至会产生更多热损耗。这意味着如果希望保持较小的充电器尺寸，同时希望将额定功率翻倍或提高更多倍，您需要做的第一件事就是提高效率。要提高效率，您必须了解产生功率损耗的所有因素。最为重要的是，充电器尺寸和系统效率必须保持平衡。如果只想缩小充电器的尺寸，并且选择了具有极高开关频率的PWM IC，开关损耗将大幅度增加，并为设计人员带来难题。如果提高了工作频率，您将会发现：如果不为系统选择性能更高的元器件（例如具有较低Rds(on)的MOSFET和具有较低正向压降的整流器二极管等），则通常难以重获效率。简而言之，由于尺寸仍然重要，当您尝试增加额定功率时，效率便是最关键的考虑因素。对于PWM IC本身，为了提高效率，目前部分PSR PWM控制器在边界导通模式(BCM)下工作，以取代当前最常用的非连续导通模式(DCM)控制器。使用这些BCM控制器是我们应当考虑的一个途径。

●如USB充电器标准所定义的，移动充电器一直实施5 V的充电电压。如果您想定义的是以2 A或3 A作为工作电流并面向较高额定功率的5 V充电器，则需要考虑的下一个主题将是动态响应。目前，大多数移动充电器采用5 V/1 A规格。对于5 V/1 A规格的充电器，为防止因漏电流突然从零负载切换到半负载或全负载而导致发生充电故障，USB充电器标准已明确定义压降。从根本上说，如果输出电压维持在5 V，则输出电流越大，压降的幅度也越大。原因是绝对漏电流（无论是介于零负载到半负载之间还是介于零负载到全负载之间）将变大，进而导致输出压降。从这个观点来看，传统的PSR PWM可能难以实施，制造商可以改用SSR PWM，因为后者具有出色的性能。

●如果充电器从5 V/1 A转变为5 V/2 A或5 V/3 A，USB电缆上的功率损耗只会让压降变得更严重。如果希望将输出电压保持在5 V，则需要认真考虑电缆上的压降，并谨记有些电缆可能未通过USB认证。选择具有较低损耗水平的特定输出线可能是一个解决方案。另外应清楚：如果输出线连接到与5 V/1 A版本相同的5 V/2 A或5 V/3 A充电器，输出压降会延长充电时间。这将稍微抵销增加额定功率带来的益处。

●最后一个考虑因素是待机功耗。长久以来，零负载下30 mW的待机功率一直被视为移动充电器约定俗成的标准，即使在需要更高额定功率的时候，制造商也必须坚持30 mW的标准。虽然输出功率已翻倍甚至增至三倍，但业内部分制造商希望待机功率下降至10 mW或甚至接近0 mW。要设计具有极低待机功率的充电器，最通用的解决方案是尝试使用外部电路或附加设备来使外部电路断路或强制IC本身进入睡眠模式，但这些方法同时也会提高设计的复杂度，增加元器件数量和电路板尺寸。对于充电器应用，我们建议选择具备创新的绿色模式或突发模式控制功能的PWM控制器。这有助于设计具有较小电路板尺寸和较低BOM成本的低待机功耗解决方案。

现在，电源行业将经历一场革命，以便满足便携式设备对更长电池循环时间和更大充电能力的需求。制造商的任务是在安全级别更高且待机功率更低的条件下充分发挥微型充电器的充电能力，而这场革命正是由这项挑战推动的。