智能手機發展至今,充電功率和電池續航一直是人們最為關注的問題之一。
從早期的5V/1A和5V/2A的低瓦數快充,到后來的高壓大電流和低壓小電流兩極分化,不同手機廠商都制定了自己的充電協議,如OPPO的VOOC、vivo的Flash Charge、華為的SCP/FCP、小米的Mi Charge Turbo。
USB-IF組織和電信終端產業協會也開始出面推動各種充電協議的標準統一,避免不同廠商的充電器和手機的不兼容。
近年來動態調整PPS(可編程電源)大為流行,30W以上快充紛紛采用Charger pump Charger做輔充,極大提高了充電效率。
快充充電電路從Type C充電口開始,VBUS充電路徑依次經過過壓保護器件(OVP芯片或MOS),主充芯片(開關Charger)并聯輔充芯片(電荷泵Charger),然后到電池。
電池滿電狀態下,放電電壓為4.2V,放完電時電池電壓會降到2.5V左右。因此可以簡單利用電池電壓來粗略估算電池電量。
下面先介紹下快充的充電原理。
傳統充電過程分為三個階段:涓流充電、恒流充電、恒壓充電。
如今的快充時代則把上面的三個階段進行了細分。我們以TI的快充charger方案BQ25970和BQ25890為例。過程如下:
T0-T1
充電器接到手機的USB-C端口,主芯片檢測電池電壓,以此電壓為基準來設置線纜給USB-C的充電電壓,當電池電壓低于3V時,主charger以VSYS_MIN/0.15A給電池涓流充電(主charger這個最低充電的電壓VSYS_MIN是可以通過I2C進行修改的,范圍是3V-3.7V)。
這段時間持續幾秒鐘。
T1-T2
當電池電壓達到3V時進入恒流充電。考慮到端口到電池的線損和導通損耗,一般以VSYS_MIN+0.15V進行充電,。此時的端口供電電流可以達到2-3A,以芯片設定為準。到這個階段一直是主charger在工作,直到電池電壓上升到VSYS_MIN值(一般設置為3.5V,相當于手機電量達到5%),電池喚醒可以進行大功率充電了,這時進入恒流快充。
這段時間持續約1分鐘,電池電量達到5%。
T2-T3
當VBAT>VSYS_MIN后,進入恒流快充模式,充電電壓設置為VBAT+0.05V(電池的內阻一般mΩ級別,0.05V即可提供大電流)。主charger關斷,打開2:1 charger pump charger,將VBUS充電電壓減半,電流翻倍進行充電,此時充電電流為全過程最大。因為電池電壓固定,電流才是決定電池充電快慢的主要因素,此時的充電功率達到巔峰。
這段時間大概持續5分鐘,電池電量達到20%。
T3-T4
當系統檢測電池電壓達到4.2V時,進入恒壓充電模式。為防止電池未真正充滿,系統控制charger逐步降低充電電流,直到檢測一段時間內電壓維持在4.2V附近,此時電壓不會在電流減小時下降,電流逐漸降低到快充低預警閾值IBAT_UCP_ALM后,關斷charger pump charger,打開主charger。
此時電量已沖到80%左右。這段時間持續約2030分鐘,利用60W或120W的超級快充,可以把這段時間縮短1/32/3。
T4-T5
此時電池電壓VBAT穩定在4.2V,主charger以4.25V 2A充電,檢測電池電壓,逐漸降低電流,直到電流降低到125mA時,完成恒壓充電。
這段時間持續約20分鐘。
至此充電完成。
現在主流快充主要集中在33W、44W、55W、66W四檔,充電電壓基本都在10V或11V,充電電流則為3A、4A、5A、6A四個擋位。為了補償充電接口及線纜的壓降,更多廠商選擇11V的充電電壓。但是真正傳輸到電池的電壓最大只有4.25V,充電口也只有9V左右,因此11V和10V充電電壓對實際充電影響不大,過流能力才是起決定作用的。
當效率100%沒有線路損耗時,11V6A和10V6A對電池來說,充電功率是一樣的。但實際器件和線路損耗使得二者電流都達不到12A,66W的充電電流比60W是要大個幾十mA的,所以66W的充電功率要稍大于60W。但67W和65W/66W在實際充電過程中的區別就不那么明顯了。不過在宣傳時67W就是比65W/66W看起來高級,這也成為手機廠商壓過對手一頭的賣點。
80W~150W的有線快充普遍開始采用20V電壓輸入,4:1電荷泵轉換,將充電電流加到4倍,的確縮短了充電時間。但是在整個充電過程中,開啟電荷泵的時間一般不超過30分鐘,滿載充電的時間更是不到5分鐘,3%的效率損失會直接轉化為熱,100W的快充直接產生3W的熱,造成手機嚴重發燙,影響鋰電池使用壽命。從60W提升到120W,大瓦數快充時間縮短約10分鐘,在整個充電周期內提升比例約25%。
在半個多小時的充電周期內,十分鐘的充電時間縮短和手機發熱鋰電池壽命縮短相比,值不值得,大家可以自行判斷。
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PMP22244:具有 GaN 的 60W USB Type-C? 高密度有源鉗位反激式參考設計

60W充電器芯片U6201概述和特點
使用UCC28781EVM-053 60W、15V ZVS反激式轉換器

使用UCC28750EVM-071 60W交流/直流轉換器

60W電源方案CR6891B-PCB圖
60W電源方案CR6891B-實物樣機圖
60W電源方案CR6891B-原理圖
60W電源方案CR6890H-實物樣機圖
60W電源方案CR6890H-PCB圖
60W電源方案CR6890D-PCB圖
60W電源方案CR6890D-實物樣機圖
60W電源方案CR5843AS-PCB圖
60W電源方案CR5843AS-實物樣機圖
60W電源方案CR5843AS-原理圖
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