新一代InnoSwitch在快速充电器方面的应用

　　第五届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2016产业和技术展望研讨会

　　时间：2016.01.14 下午

　　地点：深圳南山软件创业基地 IC咖啡

　　演讲主题：新一代InnoSwitch在快速充电器方面的应用

　　演讲人：阎金光 (Jason), Power Integration高级应用工程师、实验室经理

　　主持人：快充随着魅8的出现越来越成为热点，快速重点器的设计有哪些挑战?我们今天非常荣幸的邀请到了Power Integration公司从事了24年技术开发和技术经验的 Jason。今天PI的专家除了分享快充方面的设计挑战，也会介绍新产品的技术特点和优势，可以帮助智能移动设备制造商缩短产品相应的开发时间，以及推出性能更高的快充产品，有请Jason做详细的介绍。

　　Jason：我今天主要讲到充电器应用市场的趋势和一些新的产品。首先对Power Integration做一个简介，另外讲一些行业的趋势，涉及到智能快速充电的解决方案，第三方面是我们最新推出了InnoSwitch产品，包括InnoSwitch -CP，也会介绍一下它的市场应用。

　　PI公司是美国的半导体上市公司，成立于1988年，主要致力于高压控制线路的集成芯片供应商。我们出的产品都是高效节能的，用在低碳环保方面的使用，包括我们最大的特色，质量是非常好的产品，我们是这样一家公司，交付能力也是没有任何的问题。我们在所有的线上、线下都提供了完善的设计工具，我们给很多电源工程师做了实验。开关本来是相对比较新兴的技术，那时候还没有经验，所以现在把我们的经验给大家做参考。另外，我们是一家财务状况良好的上市公司。

　　我们的产品主要涵盖三个方面：第一，AC-DC的快速充电器，电源应用的一些领域，包括每个人手机用的充电器，还有家里的适配器，都是有电源供电的。第二，我们是LED照明，这也是比较火的行业，中国很多都在做大功率的LED照明，包括家里也有使用，其实里面也是一个开关电源，是对LED的控制，我们的产品也满足LED市场。最后一，我们公司曾经收购了一家公司，他们有高可靠性的ICPC，对高铁、风能、电能都有涉猎到。

　　讲一下电源转换的行业趋势。我本身在中国做开发电源，从线型降压电源开始一直到现在，体积越来越小。现在最新的趋势是做快速充电。大家都有在使用手机，屏幕做的越来越大，内部电池的容量也做的越来越大，用苹果手机，我们回家要做的第一件事就是充上电，方便第二天使用。我们看到右下角手机常用的充电器(见PPT)，中间有一个电缆连接到电源和负载之间，也可以是一个平板。充电器在以前的充电过程当中只是人为的提供一个电压、电流就好了，你提供多少功率我实现多少消耗，然后对电池充电。现在随着快速充电的要求，现在要做到一个目的，实现手机跟充电器的双向通讯，这种通讯的目的是为了能够尽快增加电池充电的效果。我们看到电源必须对来的指令有一个反应，改变它的输出电压、输出电流。这种电压、电流的改变能够对手机电池实现快速充电。

　　我们以前做的，比如说手机，以前用的最多的是5伏1安，现在是5伏2安，想再快可以到5伏10安，但是带来电压的影响，输出电缆线有很强的影响，你的电压越大，功率损耗越大，到一定程度电压非常低了，再低电池就无法充电了。在电池使用过程中线的损耗非常大。随着业界的发展，我们提出来了，如何增大输出功率?能不能把输出电压抬高?做一个比方，5伏2安是10瓦，把电压抬高了，电流维持原来的电流，功率就加大了。但是电流没有增大很多的情况下，在输出电缆的损耗就没有增加太多，这最初快充的想法，就是把功率抬到最大实现充电。这样就实现充电速度更快，我们损耗上也有降低。在市场上大家已经看到了，我们有不同的充电器，今天我们也给大家送出小的快速充电器，实际上是改变输出电压的，输出电压抬高了以后功率就加大了。

　　要实现快充，要实现充电器端和手机进行通讯。这就涉及到通讯协议的问题，什么样的协议来沟通这样的信息?这是交流变直流的充电器电源(见PPT)，这个电源输出，我们在旧有的的充电器当中，以前的旧充电器电压永远是5伏，经过这个负载线、USB线连接到手机当中去。这边有不同的连接接口，所以我们有不同的方法，在USB的电缆当中，我们的指令是通过数据线传输的。这根数据线有一个通讯协议，通过D+、D-的方式传送信号，这种方式我们最早见到的是QC2.0，还可以从9伏跳到后面这种，还有可能跳到20伏。现在说一下QC3.0，QC2.0输出的电压是进行不同的输出渐变的充电过程。

　　D+、D-之外还有V+、V-，还有输出电压和电流的变化，我们可以发出指令，我们电流可以发几个脉冲，我们可以看到输出电压是抬高还是降低，这也可以实现输出电压的控制，只不过这个控制不是2.0的D+、D-，而是母线的控制，包括之前我们看到PD+(音)的协议，现在看来这种协议不能再扩散了。现在协议市场，各家都在做自己的协议，三星有自己的，华为也在出自己的通讯标准，现在还没有完全统一下来，因此比较混乱。最后PD协议将引入，因为这是相对更完善的协议，但是有一些厂家为了保护自己的知识产权可能会开自己的通讯协议。

　　苹果公司的接头是lightning的接头，输出电压比较大，5伏2.4A也是十几瓦的功率，他们也在研发自己的快充方案。

　　国内某家公司，他们自己定制的是增加输出电流方式，还是5伏输出，但是达到25瓦，这是比较大的充电功率。这种方式带来一些问题，接头要特殊定制，包括线质量非常好，不然损耗非常大，也会发热，手机端的接头都是特别定制的，如果跟行业不太融合，一个是成本比较高，也是比较独特的。前一段时间我们在国内开关于快充的会议，这家公司也在主导快充国家标准，现在还是战国时代，大家各做自己的协议。

　　前面也有讲到Type C，Type C是将来的发展方向，它充电可以实现10瓦到100瓦功率的传输。实际上Type C也可以实现连接，它的电缆目前比较贵，市场成熟起来还需要一定的阶段。

　　刚才有提到QC2.0，现在最新出的高峰协议叫QC3.0。左边的是QC2.0的充电方式(见PPT)这样来看只有三档电压可以跳跃。现在最新出的这种叫做QC3.0，这并不是一个5、9、12三个台阶的电压，它是可以连续变化的电压，从6V-12V是连续变化的电压。QC2.0的时候，手机充电真正变化并不是利用充电器的横流进行控制，手机内部有DC电源，把你输入的电压变成可充电电压，随着慢慢充饱，数字电压慢慢升高，最后会百分之百的充满。我们内部的DC/DC的效率跟手机发热是相关的，如果效率不高，充电的时候你一摸手机温度是比较高的。以9V和12V输出的电压可能效率不高，随着能量慢慢充饱，电压慢慢往上走，这样DC/DC永远维持比较小的压差，这个对手机发热有很大的帮助作用。在无线充电方案当中，如果DC/DC用这种方案来做，可以用3.0的方式。相对QC2.0来说，QC3.0会使手机充电的时候发热降低。我们从6V可以两个档位的逐档跳到12V，我们的InnoSwitch可以满足这样的特性要求。

　　我们再谈功率方面，如果是QC2.0，输出充电的时候可以看到12V功率比较大，12V1.5可以充到18瓦，随着电压慢慢走，功率不到18瓦。右边的QC3.0是连续变化的，从这条线走到这边，电压下降的情况电流在增大，电压改变的时候这个电流在减少，所以我们始终保证输出电流18瓦，相对QC2.0，QC3.0可以输出更大的功率。所以从快充效果来看，用3.0比2.0充的速度更快。

　　快速充电器面临一些重大的挑战，以前没有快充方案，大家做的是5伏1安或者5伏2安，我们需要做功率密度高的，现有的外观当中，把功率加大，这些元器件能不能放进去就是很大的挑战，就要求所有元件数目少，效率做得高。做快充的时候输出电压是变化的，我们以前做开发电源的时候，当电压固定的时候可以非常容易的优化效率，现在不同工作阶段电压从高到低有一些变化，这时候电压效率表现不一样，意味着电压也不一样。我们做变压器设计的时候要针对不同的电压进行设计，包括要考虑到圈数和杆量(因)等的影响，这就是技术方面要考虑的。包括快充的时候，市场上还有2.0的产品，你做3.0的时候要考虑到2.0的情况。

　　最后一方面是可控的控制机制，从5伏电压慢慢增加的时候，如果电压变化比较剧烈，可能后面的电路会被烧掉，如果有过压保护动作的话可以，如果过压保护不当的话，就要看你本身有没有导流的情况，比如说从6伏升到6.2伏是慢慢上升还是一下上去6.2的。

　　InnoSwitch有不同的系列，这个系列会讲到InnoSwitch-CP，始终都是保证18瓦输出端的高负载供电。右下角是原理图(见PPT)，这个是典型的初次级电源，如果防止不要手指触摸碰到，所以是绝缘的，在以前旧有的电源当中有初次绝缘的，人手触到次级这一段不会有触电。我们现在是初级和次级之间跨阶的。次级侧有两个控制器，初级的是一个开关对一个开关操作，次级的是对输出电压和电流都进行监测，这种监测的目的是可以进行更精确的输出电压和电流的控制。这就是初次级的情况。我们的InnoSwitch是在初级和次级之间，还有一个同步诊流技术，如果你对开放电源有认识，最早我们是用二极管诊核，这里面有一些问题，某些情况下这两个如果同时开通，就会造成闸机的危险，如果提高到单片，我们可以精准的控制，任何情况下都不会出现初级和次级两个开关同时开关的情况，这是InnoSwitch第一个实现了初级和次级之间的控制。初级跟次级的信息交换是通过PluxLink实现，我们利用这个实现初级和次级的交互。

　　我们之所以采用这个方式，是因为直接输出电压和电流可以进行精确的控制，这是初级的方式中不太存在的优势。

　　既然说这个IC是在初级和次级之间，首先关心的是一旦出现故障会不会出现短路，一旦短路人手触摸到就有触电危险。为了解决这个问题，我们所有的产品出产之前都会自动测试，都会做这种6Kv的脉压测试，不会让人有触电的危险。既然它是安规器件，就要通过UL、TUV、CQC中国质量认证中心的认证。内部的质量监控当中，我们也要保证初次级隔离，所有电源做好之后要做不同的故障测试，所有的故障测试中都可以得到安全的保障。

　　InnoSwitch-CP专门应对QC3.0开发，有两个型号，最大输出2.2W。如果你带着这个充电器满世界出差，右边有一个输出功率表(见PPT)。我们集成反激控制器及650V MOSFET，这边有两个控制器，初级的MOSFET的开关是通过次级，让你开就开，让你关就关，但是要避免两个MOSFET同时开关。这是电压的检测，同时输出电流的检测，所以无论是电压、电流都会实现非常精确的控制。

　　右边是我们的IC，左边是一个初级侧，右边是次级侧，我们是比较宽的IC，是跨了初级和次级之间的IC。我们做IC封装设计的时候充分考虑到安全要求，还有一个5000米海拔，国内有一些海拔比较高的地区一要用到，所以在IC本体方面做大概9毫米的发电间距(音)。

　　InnoSwitch-CP可以为QC3.0甚至USB-PD提供最佳性能。我们知道CP是指12V-6V区间，始终是18W的线(见PPT)。因为做精确的次级输出，所以我们要任何情况做到正负3%的稳压精度。一般做到5%，初级的做到3%的精度非常难。在整个负载方面可以实现高于90%的效率。我们也知道功率要做高，电源做到现有外壳当中把功率做大，这个散热有问题，怎么办?要把效率做高。空载功耗可以小于10毫瓦，很多人家里充电器不会每天拔下来，但是只要充电器插在上面就有功率消耗，按照国际的标准要小于0.1瓦，所以我们可以把空载功耗小于10毫瓦，你把充电器插在墙上可以做到不会有任何电的消耗。全面保护功能方面，包括输出过压保护、输入过压保护，还有过热保护，充电器有问题的时候内部会发热，如果人不在家，这个充电器可能会有故障造成火灾。所以温度到一定程度的时候，这个功率就停止输送了，停止开关操作了。

　　InnoSwitch-CP的恒功率输出可以为QC3.0应用提供最佳的充电性能。你做4安培、5安培这些，会有充电器的性能测试。如果采用QC2.0的话，输出电压有三个档，12V、5V、9V，12V可能是1安培或者1.2安培，所以电压尽管抬高了，但只是减低了输出电缆的损耗，功率并没有增加太多，这是QC2.0带来的局限性。虽然输入电压改变，本身的效率也在变化，所以这并不是最佳的解决方案。如果我们采用了这种QC3.0的话，是这样一条斜线下来的，我们可以实现最佳的功率控制方式。在旧有方案当中这一块功率永远用不到的，所以过剩，原因是什么?我们保证这两个点的功率。如果这个功率比较大，电源成本会上升的。另外，我们这个可以兼容QC2.01协议。

　　轻松满足效率标准，有不同能效标准，效率方面有平均效率，从10%-100%的负载，包括10%负载的时候也有效率要求，我们可以采用不同的效率，轻松的满足效率标准要求。

　　这是具体的20WQC3.0的快速手机充电器的原理图(见PPT)，这里展示不同的性能表现。我在前面都有涉及到，看到整个完整的原理图当中，前面是滤波，后面是完整的InnoSwitch，后面是变压器了，这边实现了快速控制的IC，所以它有全套的快速充电的解决方案。

　　CHY103完全支持QC3.0的协议，它是物理型接口的IC，同时可以兼容QC2.0、QC3.0。静态功耗可以做到0.75毫瓦，整个充电器空载功耗也非常低的，可以做到10豪瓦。

　　它有一些保护功能。右边这张图(见PPT)大家可以看到，如果电源可靠性不高，会有这种烧坏的现象，如果这样的充电器放在家里会有很大的危险。我们这个包括过压保护、过热保护，远程光照也有保护，通过手机端发信号发给充电器，充电器会关闭操作。

　　实现InnoSwitch-CP可以实现ChiPhy的轻松设计。对整个元件公差不敏感，我们的变压器会实现非常优化的选择。我们讲到InnoSwitch-CP是恒功率，恒功率输出可以消除成本和对整个功率的浪费。直接控制输出电压电流，可以实现对输出精准的控制，通过这个方式改善效率，降低冲电气的风险。最后，我们是初级和次级之间的连接。

　　InnoSwitch这个产品系列大概可以做到23W、24W左右。还有其他的产品，这个是用在充电器的，这个是用在功率更高的35W左右的充电器(见PPT)。