由於攜帶式裝置功能日增，使用者對電池容量的需求也不斷增加，但電池愈大，充電時間也可能愈長，而用戶卻又希望縮短充電時間，或是在相同時間內充入更多電源。為達到嚴格標準，充電電流必須大幅增加，傳統5V USB轉接器因為輸入功率有限，無法滿足快充需求。
業界正在努力提高轉接器功率，例如USB Type-C及其他方式，希望提供日益受到歡迎的USB相容高電壓輸入，系統設計師希望充分運用最新高電壓轉接器的優點，卻也面臨新挑戰，其中包括在最低成本變化之下提升充電效能、打破熱能損耗障礙，而且藉由增加充電電流，降低電池路徑阻抗影響，本文將討論這些挑戰，同時提供可能的設計解決方案。
智慧型手機為增加資料處理能力，必須使用更耗能的處理器，才能在效能方面突破，但處理器功能未必與CPU處理能力成正比，因此需要更大容量的電池，讓裝置能跟得上CPU處理能力。若使用相同的輸入功率與充電系統，若電池容量加倍，充電時間也會加倍，對許多應用而言，人們顯然無法接受。為設計高功率充電系統，輸入功率必須足夠，設計人員運用簡易物理原則(功率=電壓×電流)，可選擇增加電流或輸入源電壓，以往系統設計師必須增加5V USB電源的電流，才能符合加速充電需求，例如USB 2.0最大輸出電流為500mA，USB 3.0最高達900mA，而USB專用充電埠(DCP)若使用電池充電BC 1.2標準，最大輸出電流可達1.5A，而目前USB Type-C連接器最高可支援3A輸出電流。
USB功率面臨兩大限制
但這項策略已走至末路，在多項限制下，設計人員無法再增加輸出電流：
在這些限制之下，設計人員如果希望克服充電時的障礙，就得增加輸入電壓。如果希望以90%的效能，為4-AHr電池達到1C充電效率，簡單計算後，可得需要16.8W的功率(3.8V×4A/0.9)。既然轉接器一般額定為2A，代表轉接器輸出電壓必須達到8.4V以上，此概念與公用電力系統相似，藉由高電壓電網，將電力從發電機輸送到終端用戶，同時可達到高功率與低損耗。
可調式高壓轉接器突破USB功率不足瓶頸
為了向後相容傳統5V USB轉接器，新型可調式高電壓轉接器能支援9V/2A或12V/1.5A輸出，剛連接時，轉接器傳輸與傳統USB轉接器相似的5V輸出，系統透過多種途徑與轉接器溝通，提高輸出電壓至7V、9V或12V，並在供應輸出電流時維持高電壓。系統斷電或進入輕負載時，轉接器重設於5V，確保轉接器連接至其他攜帶式設備時，系統能保持安全，依輸入電流脈衝或D+/D-電壓/電流源極，業界曾提出多項系統與轉接器專用交握訊號。此外，USB供電標準希望能增加功率級至100W。
對於傳統5V固定輸出電壓的系統設計而言，可調式高電壓轉接器形成一種挑戰，系統必須監控可調式輸入電壓，以維護安全，例如多數系統使用類比數位轉換器(ADC)監控電壓，但因為多數ADC都是為低電壓應用設計，如5V或3V輸入等，須要增設分壓器，避免ADC運作超過最大額定。此外，ADC輸入與USB連接器相連後，接觸到外在環境，系統設計人員必須格外注意靜電放電(ESD)額定變化。
高效降壓轉換器提升快充性能
高功率轉接器是建置快充的第一步，有了高輸入功率後，系統內的功率損耗增加，也提高攜帶式設備的溫度，攜帶式裝置的外殼溫度通常不該超過攝氏20度，否則終端用戶會感到不適；升溫也會影響電池運作安全，充電環境需低於攝氏60度。為達快速、低溫充電，系統需要轉換輸入功率的高效能方式、控制外殼溫度，同時達到最高充電電流。
圖1為降壓、切換模式充電系統拓撲，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET) Q1為反向閉鎖FET，而BATFET Q4是充電控制FET，在許多應用中，Q1及Q4均內建於充電器晶片，也做為輸入電流感測與充電電流感測元件。MOSFET Q2、Q3、L、C共組為降壓轉換器核心，其中損耗包括傳導與切換損耗，在高輸出電流下，主要為傳導損耗，估算方式為：
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| 圖1 降壓轉換器充電系統拓撲範例 |
對傳統5V輸入而言，4V輸出的工作週期(D)為80%，故RDS_Q2為主要損耗項目，而在12V等新式高電壓輸入中，4V輸出的工作週期為33%，故RDS_Q3為主要損耗項目，系統成本則與RDS成反比，RDS愈低，電晶體成本愈高，在9V/12V等高電壓輸入條件下，低工作週期轉換器降低RDS_Q3的效能較佳。降壓轉換器除了供應充電電流，也能在應用運作時，提供系統負載功率，圖像眾多的遊戲應用可能需要超高系統功率，為攜帶式裝置溫度最高處，須以熱穩壓迴路搭配高效能降壓轉換器，熱穩壓迴路可降低充電電流，確保IC Junction溫度低於預設門檻，圖2說明充電器結合熱穩壓功能後，如何將IC Junction溫度維持在攝氏80度至120度之間。
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| 圖2 熱穩壓充電電流對IC Junction溫度的影響 |
鋰離子電池的標準充電方式包括定電流模式與定電壓模式，定電流模式代表電池充電時的最高電流，快速充電時，最好讓定電流模式維持愈久愈好，圖3介紹充電路徑中數項系統元件，包括PCB布線、電池連接器、保護MOSFET、感測電阻等，均影響充電時間。
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| 圖3 典型充電路徑阻抗範例 |
在高充電電流之下，充電路徑阻抗影響甚鉅，阻抗壓降會迫使充電流程很早就從定電流轉變為定電壓，並延長充電時間，為減少這項影響，系統設計人員必須運用更高品質的元件，如較低的RDSONMOSFET或改良的連接器，因此提高成本。另一方面，系統若彈性提高充電器的充電電壓輸出，可彌補電壓降，這是以充電電流為基礎，同時讓電池終端電壓低於建議上限。若使用這種方式，系統可延長充電時的定電流模式時間，且不需額外成本。圖4說明使用IR補償技巧時，對充電時間的影響，若能補償70mΩ的路徑阻抗，充電時間可縮短17%，從234分鐘降為200分鐘。
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| 圖4 系統有無補償之充電時間對比 |
隨著電池容量增加，快充成為許多攜帶式應用的必備功能，為此須要提高輸入功率，而建置可調式高電壓轉接器即可達成，為有效運用輸入功率，需要高效能的降壓轉換器，並仔細考量工作週期效應。最後，熱穩壓、電阻補償等其他技巧也很重要，才能發揮高充電電流最大效益，並改善終端用戶充電體驗。
(本文作者皆任職於德州儀器)