行動(dòng)裝置搭載大尺寸、高畫質(zhì)屏幕已是大勢(shì)所趨，產(chǎn)品制造商無不積極采納新的快速充電方案以延長(zhǎng)電池使用壽命。新型混合可調(diào)式高電壓轉(zhuǎn)換器可辨識(shí)系統(tǒng)電壓需求，彈性調(diào)升輸出電壓至9伏特或12伏特，因而能顯著縮短電池充電速度。

　　行動(dòng)裝置已成為一般人日常生活不可或缺的元素，以智慧型手機(jī)為例，除了單純通話功能外，如今亦內(nèi)含許多豐富功能，包括社群網(wǎng)路、網(wǎng)路瀏覽、訊息收發(fā)、游戲、大尺寸高畫質(zhì)螢?zāi)坏龋紝?dǎo)致手機(jī)相當(dāng)耗電。廠商因此不斷提高電池容量與能源密度，并發(fā)展快速充電功能，如充電10分鐘即可使用一整天，或是充電1小時(shí)可恢復(fù)八成電力，都是日益普及的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

　　基于快速充電需求與高電池容量，行動(dòng)裝置充電電流可能達(dá)4安培以上，因此對(duì)電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來眾多新挑戰(zhàn)。

　　實(shí)現(xiàn)快速充電方案　USB-PD設(shè)計(jì)扮先鋒

　　行動(dòng)裝置常采用5伏特(V)通用序列匯流排(USB)供電，然而，傳統(tǒng)USB 2.0連接埠輸出電流最高500毫安培(mA)，而USB 3.0連接埠最高也僅900毫安培，均無法滿足快速充電需求。

　　USB轉(zhuǎn)接器如專用充電埠(DCP)搭配micro-USB連接器后，可提高輸出電流至1.8安培。可惜一般5伏特/2安培轉(zhuǎn)接器只提供總共10瓦(W)的充電功率，若以此做為充電器電源，充電電流最多只有2.5安培，不足以供應(yīng)4,000毫安時(shí)(mAh)以上的電池組。

　　理論上，5伏特轉(zhuǎn)接器可提高輸出電流，進(jìn)而提高輸出功率，但必須增加成本與使用特殊線路，而且也會(huì)出現(xiàn)幾項(xiàng)限制。例如，2安培以上的轉(zhuǎn)接器電流需要較粗的電線與特殊USB連接器，這將提高系統(tǒng)解決方案成本，且傳統(tǒng)USB線路基于電源損耗及安全顧慮，并不適合。另外，轉(zhuǎn)接器電線阻抗依據(jù)線路長(zhǎng)度與厚度，通常介于150?300毫歐姆(mΩ)。提高輸出電流會(huì)增加線路壓降，降低充電器輸入有效電壓，當(dāng)充電器輸入電壓接近電池充電電壓，充電電流會(huì)大幅降低，并增加充電時(shí)間。

　　例如使用5伏特/3安培轉(zhuǎn)接器與180毫歐姆線路電阻時(shí)，線路壓降為540毫伏特(mV)，目前充電器輸入電壓為4.46伏特。假設(shè)充電器輸入至電池組的總電阻為150毫歐姆，其中包括充電器的金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)導(dǎo)通阻抗，以及直流電電感電阻。即使充電器可支援3安培，但為4.35伏特鋰離子電池組充電時(shí)，最大充電電流也只有730毫安培，未達(dá)1安培，肯定不足以發(fā)揮快速充電功能。

　　依據(jù)以上分析，電源輸入電壓必須提高，以提供足夠電壓，避免充電器進(jìn)入壓差模式。在這些限制下，當(dāng)系統(tǒng)需要超過10瓦或15瓦的電力，就該使用如9伏特或12伏特的高電壓轉(zhuǎn)接器。在相同電力條件中，高電壓轉(zhuǎn)接器所需的輸入電流較低、輸入電壓余裕較高，可完全符合電池電壓充電需求。高電壓轉(zhuǎn)接器的唯一限制在于向后相容性，若高電壓轉(zhuǎn)接器插入支援5伏特輸入的行動(dòng)裝置，系統(tǒng)可能因?yàn)檫^壓保護(hù)而關(guān)閉，或是因?yàn)楦唠妷罕Ｗo(hù)不足，導(dǎo)致裝置受損。

　　在諸多限制之下，USB電力傳送(PD)轉(zhuǎn)接器等新式混合高電壓轉(zhuǎn)接器陸續(xù)問世。此種混合式電壓轉(zhuǎn)接器的共同特色在于，轉(zhuǎn)接器與系統(tǒng)控制器交握后，即可辨識(shí)系統(tǒng)電壓需求。轉(zhuǎn)接器最初預(yù)設(shè)為5伏特輸出，若經(jīng)過確認(rèn)，亦可提高電壓至9伏特或12伏特，以達(dá)到快速充電。

　　使用特殊交握演算式及訊號(hào)傳遞后，透過VBUS或D+及D-線路，即可達(dá)到系統(tǒng)與轉(zhuǎn)接器溝通，此種新式混合可調(diào)式電壓轉(zhuǎn)接器能做為通用電源，支持常見的傳統(tǒng)5伏特系統(tǒng)與高輸入電壓系統(tǒng)的快速充電。

　　延長(zhǎng)定電流充電模式時(shí)間　裝置電力回復(fù)速度再提升

　　是否藉由獨(dú)特充電策略，既縮短充電時(shí)間，卻又避免增加輸入電源或充電電流？如此必須從充電循環(huán)著手。

　　充電循環(huán)共有定電流與定電壓兩種運(yùn)作模式。電池電壓低于額定充電電壓，充電器會(huì)以定電流模式運(yùn)作，只要受感測(cè)的電池組終端電壓達(dá)到預(yù)設(shè)額定電壓，就會(huì)進(jìn)入定電壓模式。若實(shí)際電池電流達(dá)到結(jié)束電流，則會(huì)終止充電，通常約為完全快速充電電流的5%至10%。

　　在理想的充電系統(tǒng)里，電池組內(nèi)沒有任何電阻，運(yùn)作模式只有定電流一種，沒有定電壓模式，充電時(shí)間也最短。因?yàn)槌潆婋娏髁⒖探抵亮悖页潆婋妷哼_(dá)到額定值后，就會(huì)結(jié)束充電。

　　新電池組在1C充電速率下，充電器大約在定電流模式內(nèi)，花費(fèi)約三成總充電時(shí)間，可充至七成電量；反觀在定電壓模式下，耗費(fèi)總充電時(shí)間的七成，卻只充入三成電量。

　　但在實(shí)際情況下，從電壓感測(cè)點(diǎn)到電池組之間的電阻眾多，例如印刷電路板跡線；電池充放電MOSFET的導(dǎo)通阻抗；衡量電池充放電電流的電流感測(cè)電阻，做為電量計(jì)內(nèi)的過電流保護(hù)；電池組內(nèi)部電阻，會(huì)隨電池組老化、溫度及充電狀態(tài)變化。

　　電池組內(nèi)電阻愈高，定電壓模式所需的充電時(shí)間愈長(zhǎng)，唯有電池開路電壓達(dá)到最大充電電壓時(shí)，電池才算充電完成。若電池充電電壓感測(cè)點(diǎn)與電池組之間電阻較高，即使電池組感測(cè)電壓達(dá)到額定值，實(shí)際電池組開放線路電壓仍低于理想額定電壓。

　　由于智慧型手機(jī)與平板電腦等采用4安培以上的充電電流，情況更加復(fù)雜，當(dāng)充電電流如此之高時(shí)，印刷電路板跡線的壓降或電池組內(nèi)部電阻大幅提高，導(dǎo)致充電器提早進(jìn)入定電壓模式，同時(shí)拖累充電速度，該如何在高壓降的條件下縮短充電時(shí)間？

　　只要仔細(xì)監(jiān)控充電電流，即可即時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)充電路徑上的壓降。IR補(bǔ)償?shù)入娮柩a(bǔ)償技巧可提高電池額定電壓，以補(bǔ)償充電路徑的額外壓降。故充電器能在定電流模式維持較長(zhǎng)時(shí)間，直至真正電池組開路電壓相當(dāng)接近理想電壓值，因此可大幅縮短定電壓充電模式時(shí)間，最低僅占兩成。

　　避免裝置過熱　充電器轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要

　　若希望發(fā)揮快速充電功能，必須使用9伏特/1.8安培或12伏特/2安培的高功率轉(zhuǎn)接器，這樣的功率除了充電外，甚至可供應(yīng)系統(tǒng)用電，這也是行動(dòng)裝置溫度驟升的原因之一。為改善終端使用者經(jīng)驗(yàn)，裝置外殼與周遭溫度最大增幅不應(yīng)超過攝氏15度，因此充電器電源轉(zhuǎn)換效能與系統(tǒng)熱性能更顯重要，但要如何達(dá)到最佳熱性能與效率？

　　圖1為4.5安培高效能交換模式充電器應(yīng)用線路簡(jiǎn)圖，同時(shí)支援USB與交流電轉(zhuǎn)接器，并整合所有MOSFET。MOSFET Q2、Q3與電感L共組成同步切換降壓電池充電器，達(dá)到最高電池充電效能，并完全使用轉(zhuǎn)接器電源供應(yīng)最快速充電。MOSFET Q1發(fā)揮逆向電流阻隔功能，避免電池透過MOSFET Q2本體二極體泄漏至輸入電源，也做為輸入電流感測(cè)元件，監(jiān)控轉(zhuǎn)接器電流。MOSFET Q4可主動(dòng)監(jiān)控電池充電電流，所有單結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)設(shè)計(jì)必須具備夠低的導(dǎo)通阻抗，以達(dá)到高效能。

　　圖1　4.5安培I2C高效能切換充電器方塊圖

　　為進(jìn)一步改善熱性能，設(shè)計(jì)人員得采用熱調(diào)節(jié)回路，只要達(dá)到預(yù)設(shè)接點(diǎn)溫度，就會(huì)降低充電電流，藉以發(fā)揮控制功能。

　　電流愈高　充電速度愈快

　　圖2為充電電流與充電時(shí)間的關(guān)系，只要充電電流速率不超過電池組制造商載明的速率上限，電流愈高，充電速度愈快。如圖2所示，充電時(shí)間縮短三成，換言之，充電電流從2.5安培增為4.5安培后，充電時(shí)間從269分鐘降為206分鐘。

　　圖2　不同充電電流所需充電時(shí)間比較

　　圖3說明在實(shí)際充電器設(shè)計(jì)內(nèi)，使用IR補(bǔ)償技巧對(duì)充電時(shí)間的助益。為8,000mAh單電池組充電時(shí)，彌補(bǔ)70毫歐姆電阻，在4.5安培充電電流條件下，充電時(shí)間縮短17%，從234分鐘降為200分鐘，但未增加額外成本及熱影響。

　　圖3　IR補(bǔ)償技巧應(yīng)用前后的快速充電時(shí)間對(duì)比，從234分鐘降為200分鐘。

　　快速充電對(duì)許多行動(dòng)裝置日益重要，故在實(shí)際充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，須考量更多因素，包括新型高電壓轉(zhuǎn)接器、充電電流、熱優(yōu)化等。也需要先進(jìn)充電架構(gòu)，以縮短充電時(shí)間與延長(zhǎng)電池壽命，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明快速充電設(shè)計(jì)的成效。