芯茂微原边恒功率+恒流带来的快充设计革命

一、快速充电的原理，由来：

早期大部分手机内部有一颗DC-DC降压buck芯片或线性恒流芯片，可以将输入到手机端口的电压进行转换，变成电池可以接受的3.2~4.2V电压，充电的电流由手机内部的芯片来控制。充电功率由充电端口的电压和电流共同决定，P=V*I。

但是，USB电缆和USB插座最大能承受的电流是有限的，比如micro USB接口最大电流只有2A，type-C USB接口最大电流3A(也有的为5A但需要内部带Emark芯片)。如果都按照5V来充电，则给电池充电的最大功率就只有5V*2A=10W，或5V*3A=15W，无法达到给手机电池快速充电的目的。

端口的输入功率=输入电压 x 输入电流，所以，充电功率的提高与端口电流容量受限之间的矛盾，可以通过提高端口输入电压来解决。既然电流不能加大，就增加电压吧!

就有了多种升高电压的方式，比如高通QC协议就是通过D+ D-两根数据线向充电器发送电压设定指令的。通过D+ D-不同的电平，充电器就可以按需把电压抬升上去，达到12V甚至20V，这样在同等的2A/3A电流下实现高达24W甚至60W大功率充电的效果。还有PD协议是直接通过数据通信来调整电压，联发科MTK协议通过4bit指令调制输出电压。

QC协议是相当先进的快充协议，它有很多优秀的功能：

1、最佳电压智能协商 INOV(Intelligent Negotiation for Optimum Voltage)技术：

手机端会根据电池的电压、容量、温度等参数，按照INOV算法，以200mV的档位精细的调整充电器的输出电压，以匹配到最佳的充电效果。

2、自动电源类别检测APSD(Automatic Power Source Detection)：

芯片自动地对电源进行侦测，识别电量输入是来自什么方向，如PC、电源插座、USB等等，对每一个电量来源进行IP标记，能够快速辨认。

3、自动输入限流AICL(Automatic Input Current Limit)：

手机可以通过AICL功能检测充电器最大可输出的电流，实现更快的充电速度。PD协议在USB联盟的加持下，已经得到了广泛的使用。欧盟甚至已经颁布了法令，要求所有充电器必须使用TypeC接口，这个接口，一定要支持PD协议~

二、快速充电的隐忧：

快速充电就是大功率充电;I=P/V，所以充电器功率提升以后，输出电压越低，输出电流就会越大。用一个20W的充电器举例，如果电压低到5V，则充电器可以输出的电流就会达到4A;如果电压低至3.5V，则电流将达到5.7A。

这么大的电流会导致充电电缆和手机电池严重发热甚至起火。所以要求充电器和手机都要具备自动输入限流功能，当电流超过一定值后能够限制住，或者切断供电，保证安全。目前的很多充电器厂家，为了降低成本，不惜去掉Vbus开关，去掉电流监测合金电阻，使用简单协议IC。这种充电器，如果输出电线发生接触不良、内部搭接，就会造成电流过大而烧毁。

三、如何做到既能限流，又能成本低?

1、现有解决方案：

要实现充电器限流，目前主流解决方案都是采用副边协议IC监测电流，并进行调制和保护：

优点：

●每个输出电压档下，都可以恒流输出

●恒流由协议IC检测和控制，恒流值非常准确

●原边PWM主控只需要能检测输出电压实现短路保护即可，主控简单

缺点：

●需要电流检测电阻，成本增加

●协议IC要实现恒压、恒流功能;且在3V电压下可以工作;协议IC复杂，成本增加

下图是ONSEMI的NCP4371协议IC可以实现的输出特性效果。

可以看到不同的电压档位下，都是恒流特性;而且恒流值会根据电压档位的不同动态调整;非常先进。

2、芯茂微原边恒功率+恒流解决方案：

为了解决大功率快充成本高和输出限流安全性之间的矛盾，芯茂微电子推出了LP8718x，LP8719x系列芯片;该系列芯片涵盖了20W~33W功率范围，都具有原边恒功率+恒流功能。同时，芯茂微电子还提供配套的同步整流，PD/QC协议IC。

PWM芯片、同步整流芯片、协议IC三者配合，可以实现完整的、安全可靠的、有较大成本优势的快充：

优点：

●协议IC简单，成本低(无需检测电流);

缺点：

●主控的高低压过功率点要非常准确，一致性要非常好;否则可能导致输出功率超过最大允许值。

●主控需要具有原边恒流功能以满足AICL要求

●主控要能够检测输出电压以实现输出过载和短路保护

芯茂微电子独创的CReg电路，实现了精确的原边恒功率和恒流控制。在不需要副边电流检测和控制的条件下，可以实现以下输出V-I曲线(20W PD/QC快充)：可以看到，电流十分的精准。

芯茂的原边恒功率+恒流方案原理图如下：

●在恒流点以下，充电的总功率是固定的，电压越低则电流越大;

●当电压减低到6.7V或5V以下时，电流变成恒定的3A状态。

●如果电压降得更低，比如到了3.2V(通过调整DET脚电阻可调节UVP保护点)则主控IC进入UVP保护状态，切断供电。

以上这种原边恒功率恒流模式对协议IC的要求低，协议IC只需要完成握手，调整输出电压即可;所有的限流任务都是由原边PWM主控完成。

四、芯茂微三件套选型(输出电压最高12V)

LP8718/9系列PWM：Vcc耐压60V，定频CCM模式工作65kHz，内置700V高压MOS。具有输出OVP、OCP、短路保护功能;具有OTP保护功能。可选输出2级OVP功能(5V输出下OVP为7V以下，12V输出OVP为15V以下)。

审核编辑：汤梓红