治愈快充焦虑症,Qorvo 的新“药”来了!

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                                         本文来自Qorvo公众号
 
自从用上了智能手机,很多人都或多或少患上了“电量焦虑症”。特别是当手机 CPU 的算力越来越强、屏幕越来越大、功能越来越多时,看着电量百分比哗哗往下掉,心里的那片阴影总是挥之不去。
 
解决这种“焦虑症”最根本的办法是电池技术的创新,不过鉴于锂离子电池技术(和智能手机其他技术相比)“龟行”般的演进速度,人们只能是一声叹息。于是几年前大家将治疗“焦虑症”的思路转了一个方向——开始从加快充电速度的角度做文章。于是“快充”成为了一个热点,高通的 Quick Charge、联发科的 Pump Express、OPPO 的 VOOC、华为的 SCP、USB-IF 的 USB PD……各种快充技术纷纷登场,“充电 n 分钟,通话 n 小时”之类的广告语也变得耳熟能详。
 
01快充江湖,USB PD 何以胜出?
 
尽管不同的快充技术各具特点,但从大的技术策略上看,其实都有异曲同工之妙,大家主要的技术着力点无非是以下几条:
 
o 提升充电的电压和电流,增加单位时间内的功率供给。
o 在充电和受电设备之间建立通信协议,根据需要动态调节充电电压电流,让效率最大化。
o 将可调充电电压电流的阶跃间隔缩小,进一步提升效率。
 
经过数年的鏖战,目前快充技术的竞争格局也基本明朗—— USB PD 已经确立了稳固的优势地位,一统充电江湖指日可待。USB PD 的胜出,究其原因有两个方面。
 
从技术上讲,虽然 USB PD 和其他快充技术相比,在进入市场的时间上不占先,但其将后发优势发挥得淋漓尽致,可谓是“人无我有,人有我优”:
 
输出功率方面,USB PD 可提供最大 100W 功率输出(20V/5A),不仅可以满足智能手机等便携设备所需,也可以满足更大功率的消费电子产品的需求。
USB PD 定义了特有的供、受电端动态协商机制,实现了自适应的按需供电;在 USB PD 3.0 的 PPS(Programmable Power Supply)规范中,将 VBUS 线上的电压和电流调整阶跃精细到 20mV 和 50mA,进一步减少能量损耗,提升充电效率。
USB PD 还支持角色切换功能,一个设备可根据需要提供供电或受电的功能。
 
从非技术的角度来讲,凭借 USB PD 背后强大的 USB 生态系统的支持,其在竞争中可用的筹码更多。比如在 PPS 规范中,USB-IF 就规定了“不允许 USB 接口通过非 USB PD 的协议来进行电压和电流调整”,这明显有利于 USB PD 在市场中优势地位的确立。
 
正是由于技术和非技术两方面的合力,不论是主动迎合还是被动接受,快充市场的玩家纷纷向 USB PD 靠拢。谷歌在 Android 7.0 OEM 规范中提出“使用 USB 接口的手机,其快充技术必须支持 USB PD”;高通从 Quick Charge 4.0 开始,已经兼容 USB PD 协议;苹果虽未明确表态,但有分析称从 iPhone 8/8 Plus 起,也开始支持 USB PD 了……
 
可见,在治愈快充“焦虑症”这件事上,USB PD 已经成为一副公认的“良方”。
 
02快充IC,何谓“良药”?
既然有了药方,接下来关键的一步就是如何炮制良药了——也就是如何开发出符合 USB PD 标准、适应市场所需的芯片方案。
 
在 USB PD 快充 IC 的研发上,近年来各个厂商推出了不少新品,也尽可能将自己在电源管理领域积累的功力充分发挥出来。归纳起来,众厂商芯片研发的发力焦点主要在以下几个方面:
 
更佳的性能,更高的效率;
提供与 USB 控制器的接口,实现动态可编程,让 USB PD 自适应按需供电的特性充分发挥出来;
更高的集成度,简化系统,优化 BOM;
满足安全和可靠性要求。
 
在诸多 USB PD 快充 IC 中,有一款产品很值得圈点,这就是来自 Qorvo 公司的 ACT4751
 
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                           图 1:USB PD 快充 IC ACT4751
 
从芯片架构上看,ACT4751 分为四个部分:
 
 
主稳压器:一个 4A 同步整流降压 DC-DC 转换器,支持动态的电压电流调整。
“迷你”稳压器:一个提供 5V/350mA 输出、始终开启的降压 DC-DC 转化器。
辅助 LDO:一个输出电压可编程的 20mA 低压差线性稳压器。
控制逻辑:包括状态机逻辑和 I2C 接口控制器。
 
主稳压器是决定充电器性能的关键部分,ACT4751 的主稳压器通道支持 4.5 至 40V 输入范围,可以提供最高 80W 的输出功率,由于采用了同步整流架构,同时在内部集成了两个 50mΩ 的 MOSFET,因此具有不俗的效率表现。
 
与主稳压器“打配合”的是控制逻辑模块。ACT4751 可通过 I2C 接口与 USB 控制器连接,基于专有控制算法,通过编程可在 3V 到 24V 间以 12.5mV 步长对输出电压在进行动态调整,电流方面可以在 0~4A 之间以 256 个步长进行调整。该器件可在 450kHz 至 2.25MHz 频率范围内进行固定频率电流模式控制,支持外部时钟同步和 100% 占空比操作。
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                          图 2:ACT4751 具有不俗的效率特性
 
在主稳压器之外,ACT4751 通过“迷你”稳压器和 LDO 提供两路辅助电源,可以分别为 USB 控制器和 USB-C 中的 1.5 W VCONN 有源电缆供电。因此只需一个器件,ACT4751 就能提供多个电源轨,更高的集成度让系统电路结构也变得更简单。
 
此外,ACT4751 还集成了自我保护功能,包括热关断、欠压和过压保护以及具有打嗝/闭锁模式的过流保护,确保应用的可靠性和安全。
 
03认证方案,手到“病”除!
 
为了让开发者切实体会到 ACT4751 的“疗效”,Qorvo 在推出芯片产品的同时,还特别提供了经过行业认证的参考设计方案。
 
比如下面这个采用四颗 ACT4751,配合 Cypress 的 USB 控制器 CCG3PA 设计的四端口 USB 充电集线器参考设计,在一块电路板上同时支持两个 80W USB-C PD 通道和两个 7.5W USB-A 通道,功率总计达到 175W。该电源充电器方案通过了 USB-IF 的 USB-PD 3.0 认证,在此基础上进行开发可大大简化设计流程。
 
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  图 3:基于四个 ACT4751 的四端口 USB 充电集线器参考设计
 
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  图 4:基于四个 ACT4751 的四端口 USB 充电集线器参考设计框图
 
在这个四通道的 USB PD 充电集线器参考设计架构基础上,Qorvo 还将其简化为一个单通道的 80W USB PD 充电器方案,这当然是游刃有余了。
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图 5:基于 ACT4751 的 80W USB PD PPS 充电器参考设计
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  图 6:基于 ACT4751 的 80W USB PD PPS 充电器参考设计框图
 
值得一提的是,在 ACT4751 标准器件基础上,Qorvo 还瞄准日益增长的车载快充市场,推出了符合车规的 ACT4751M。ACT4751M 的工作电压高达 40V,具有在苛刻的汽车环境中承受高达 48V 负载突降事件的保护功能。该器件通过了 AEC-Q100 车规认证,并符合汽车 EMI 标准 CISPR 25 Class 3,为“上车”铺平了道路。
 
ACT4751M 还有一个特性,就是支持高通的 Quick Charge 快充标准。Qorvo 也基于 ACT4751M 开发出了包含四个通道(两个 80W Quick Charge 4 + 通道和两个 40W Quick Charge 3.0 通道),总功率达 280W 的快充集线器参考设计方案。该方案同样通过了 Quick Charge 的认证,并在转化效率和外形尺寸上经过了全面的优化,为加速开发者商用产品的上市提供了便利。
 
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图 7:基于 ACT4751M 的四通道 Quick Charge 充电集线器参考设计框图
 
  
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毋庸置疑,USB PD 的快充时代已经来了,像 ACT4751 这样的快速充电 IC“良药”,对解决快充“焦虑症”大有裨益,也给智能手机和其他充电电子产品的设计提供了更大的、可以“任性而为”的空间。这对于开发者和最终用户,都是一个福音。
 

 

 

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