延長電池壽命是智慧型手機採購商提出的首要需求。無論裝置是智慧型手機還是其他可攜式電子裝置，智慧型、最佳化旅行充電器解決方案在提升可攜式電子裝置的價值與改善客戶體驗方面都有著至關重要的作用。隨著可攜式電子裝置越來越薄而功能越來越多，快速旅行電池充電器在增加客戶價值方面變得至關重要。本文將介紹在旅行用快速電池充電器(或更被廣泛地稱為旅行電源轉換器)中採用最新技術的選項。
電力電子七大價值
儘管過去二十年中電池技術已經取得顯著進步，能量密度仍是有限的。由於物理化學定律的局限性，電力電子及相關的智慧化對提升價值變得至關重要。價值的形式為：更高的密度、快速充電時間、輕量、小尺寸、安全性、環境影響及電池壽命。
如果電池提供的電量只是被系統級電源及負載處理電路浪費掉，提高的能量密度就沒有任何意義。類似地，選擇充電器智慧化及功率處理元件對於提高能量密度至關重要。物理學說明能量總是守恆的。由於負載不斷增加，全球能源儲備負擔越來越重，這成為一件具有嚴重後果的事情。
智慧化與新增功能不是免費的，需要更多的電量來實現。關鍵點在於充電能量須要進入電池，而不是在充電器內以熱量的形式浪費。除了效率，尺寸對於旅行充電器也非常重要。選擇合適的元件，要求系統設計知識及經驗。更多的系統功能，要求提高功率管理智慧化，以增加整體價值。因此，充電技術最好是留給開發智慧電源管理解決方案的專家。
快速充電時間對於客戶越來越有價值，尤其是當他們越來越多地依賴移動裝置時更是如此。根據充電電源、電池的化學成分及電池容量，平均充電時間可能變化很大。快速充電增加移動性，同時減少裝置需要充電的「被束縛」時間，因此增加了裝置的價值。快速充電要求智慧化、高效、功能豐富的充電解決方案，以便充分利用可用的電池儲備能力及電源。
電池中的能量密度與重量及技術有關。對於充電，單方面提高電池密度是沒有意義的。由化學方面提高電池密度省下來的空間，很可能會浪費在充電電路上。最有效的電池充電方法取決於暫時存儲及傳輸能量的開關電源裝置，諸如電感器及變壓器等磁性元件是該過程的關鍵元件，最佳的磁性元件是透過所選拓撲及開關頻率的結合而實現。輕量最佳化最好由擁有成熟解決方案的專家實現，以便減輕電源管理電路，尤其是磁性元件的重量。
移動裝置的趨勢是螢幕尺寸越來越大，而裝置厚度卻以驚人的速度減小。有人可能記得過去的筆記型電腦及其厚度；但今天，手機正接近紙的厚度。與增加產品價值類似，透過減小整體尺寸，充電電路對於提高產品吸引力起了至關重要的作用。透過有效設計電力電子裝置來減小旅行充電器的尺寸，能夠增加產品價值。
磁能存儲(電感器)及傳輸(拓撲及/或元件，如變壓器)都是與體積相關的。拓撲選擇及開關頻率確定磁性元件的體積。透過體積配置最佳化，就能夠獲得為移動裝置廠商提供卓越產品的充電解決方案。因此，充電電路在吸引客戶方面起著非常重要的作用，同時最佳化充電解決方案為廠商提供尺寸更小的高效電源管理設計。
一般充電器或旅行充電器都必須滿足安全法規，包括隔離要求。對於快速旅行充電器，這會影響變壓器設計、控制方法及電路布局，可能會為缺乏經驗的設計師帶來意料之外的結果。項目的成本增加及時間延遲原因，主要安全測試期間進行的最後設計修改所引起。因此，最重要的是預先瞭解要求及設計方法。
例如旅行充電器等低功率裝置選擇的拓撲是隔離返馳式轉換器。該技術對電感器及隔離變壓器都採用磁性元件。安全要求對磁性元件的沿面(Creepage)和間隙(Clearance)距離參數都有強制要求。因此，需要謹慎規劃，以最佳化能量存儲與傳輸，同時不會增加寄生效應或違反安全要求。
返馳式拓撲利用初級側開關，對輸出電壓進行次級側控制。為滿足安全要求，需要使用隔離屏障。如快捷半導體(Fairchild)，便利用獨特的初級側與次級側控制器相結合方法解決該問題。初級側控制器檢測電流與電壓控制開關，同時次級側控制器調節電壓並採用同步整流實現更高效的能量傳輸。
隨著移動裝置銷量越來越大，淘汰產品對環境的影響也越來越大。而不必更新硬體通常會減少對環境的影響，這便賦予移動電子裝置供應商一個具有競爭力的優勢。理想的環保狀況是，硬體設計極佳，只需透過軟體升級即可，裝置可以永遠使用。然而現實中，客戶往往希望其高端手機能夠持續更長時間。
這些手機的設計允許使用更長時間，透過增加更多產品價值及延長產品壽命，廠商採用更高效的電源系統與更快速的充電效能。由於減少以熱量形式而散失的能量，對碳排放量的影響也會降低，同時會延長電池壽命並提高可靠性。另外，當考慮到移動裝置的大量銷售時，這些幾毫瓦的能量加起來就是巨大的能量。
使用者抱怨的一個主要方面便是電池壽命與產品的可用壽命不匹配。使用者換新手機的頻率約為18個月一次，而電池壽命必須與這一趨勢匹配。對於研製出壽命為5年，能夠更新適應未來產品的電池廠商而言，將會獲得很高的消費者忠誠度，因而享有很大優勢。電池壽命不僅僅是指電池容量或是電池可放電/充電的迴圈次數，而充電技術的智慧化及充電方法的進步延長了電池壽命。
上述內容已介紹電池充電器在增加產品價值方面的作用，本文剩餘部分將重點介紹為移動電子裝置廠商提供快旅行充電器競爭優勢的解決方案。
快速充電須盡快活化電池
電池充電是指對特定電源進行負載管理。作為負載，電池需要合適的電壓與充電電流，而電源則決定用於建立適用的電壓及電流的功率轉換方式。
快速充電要求以盡快活化電池的方式來最佳化使用充電電源。鋰離子電池是如今電子裝置選擇使用的技術。鋰離子電池以 定電流充電至特定電壓，然後透過智慧電壓調節延長電池壽命。除了基本的充電要求，鋰離子充電器還包含了安全特性，因此，在充電器控制器中整合了特定的功能。
電源可以是市電的交流電源，也可以是車載充電器或電腦的直流電源。每種電源都符合特定的規範，這些規範提供用於創建充電解決方案的設計參數。電源提供的功率由功率調節電路調節，再透過USB連接器傳輸。透過USB連接器由交流電源傳輸的功率大多由開放標準USB電池充電規範修訂版1.2(BC 1.2)的規範確定。直流電源大多使用USB On-the-Go(OTG)，這是對USB 2.0規範的補充。
USB連接器透過兩個端子(D+與D-)提供直流電壓(Vbus與GND)及協定訊號。不管何種電源，都是根據規範中的資訊來決定充電器可用的電源及智慧化。這些規範，結合電池電壓與電流的負載管理，影響充電器設計及充電演算法；這些因素決定電池從完全放電狀態開始充電的速度。對於電池容量或負載，智慧型手機電池容量範圍從大約2Ah∼4Ah，而平板電腦電池容量從6Ah∼12Ah。
快速充電器的基本功能是將USB電源轉換為可用的充電電流及電壓。該電路包含在移動裝置內部，因此在所用空間內必須盡量少產生熱量，且同時具有高效率；與此類似，快速旅行充電器必須以安全高效的方式提供盡可能多的能量。透過線性或開關模式功率轉換可以滿足這些要求的功率處理，其中，開關電源(SMPS)產生熱量最少、效率最高。
SMPS是暫時存儲能量然後以平均速率傳輸能量的能量傳輸裝置，該速率由啟動一系列開關的控制器確定。它還採用橋式整流器，將交流輸入轉化為直流輸出。主要記憶元件是電感器及電容器。功率元件的安排則稱之為拓撲，拓撲結構可以是升壓型，也可以是降壓型。快速充電器中使用的主要拓撲及其功能如表1所示。
所選的拓撲提供電壓調節方法及標準元件布局。能量記憶元件(電感器及電容器)的大小與開關頻率有關，頻率越高，存儲的能量越少，換言之，電感器及電容器也會越小。較快的頻率允許使用更好的電容器技術，比如多層陶瓷電容器(MLCC)，比其他電解質電容器更加可靠。輸入電壓紋波電流規範也會影響電感器及電容器的尺寸；而電感器磁性材料、半導體限制與寄生效應都會影響最大開關速度。
一旦選擇最佳開關頻率，便選定了電感器及電容器。由於尺寸限制的進步，能夠提高產品價值，電容器正從現成產品過渡為基於終端應用的客製化設計。根據電容值選擇電容器，同時考慮等效串聯電阻(ESR)及其對紋波電壓及效率的影響。電容器技術控制尺寸及可靠性，而電容器的高度及直徑對於整個充電器的尺寸至關重要，因此須選擇設計最佳化。
然而，電感器是磁芯及繞組的組合，磁芯決定電感器的繞組與物理佈局，電感器面積隨磁芯與繞組的物理限制而變化，因此可以根據具體應用客製化設計。而電感器容量是由需要存儲的能量及頻率確定，其在氣隙中存儲能量，並同時使用磁芯「控制」磁通量，包括容量。
傳導/開關損失須平衡
功率轉換效率如圖1所示。大多數功耗是基於兩個主要的損失，即傳導損失與開關損失。這兩個損失之間有一個平衡，確定解決方案尺寸及散熱。
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| 圖1 通用線路輸入5V2A返馳式轉換器之效率、功耗與耗損總結 |
傳導損失有利於最大程度地減少開關及整流器中的電阻。MOSFET電阻與元件的橫截面成反比，因此，較大元件電阻較小。整流器二極體具有特徵性的正向壓降，當二極體壓降與傳導的電流組合太大時，二極體通常會被同步整流器的MOSFET電晶體代替。對於整流器及開關而言，存在尺寸與傳導損失關係的最佳化；另外，由於同步整流開關要求透過控制電路啟動，因此智慧化也能增加其價值。
開關損失是由於同時存在電壓與電流而引起的。當功率轉換器中的元件關斷時，它會停止傳導電流並開始阻斷電壓。同時存在電壓與電流，相乘得到暫態功耗。與此類似，當元件導通時就存在電壓與電流，然後，這些損失隨時間(開關頻率的倒數)平均化，確定整體開關損失。
諧振技術透過以零電流或電壓值，或有時候同時為零電流/零電壓進行開關嘗試「軟開關」。透過有效使用電路中的寄生電感與電容實現這一點，而控制器控制過渡時間，以便與寄生元件的諧振頻率一致。軟開關在寄生元件中產生較少的震盪；因此，軟開關技術產生較少的電磁干擾(EMI)，更容易滿足FCC及其他標準。
其他造成損失的因素還包括電感器中的繞組及磁芯損失。繞組損失主要是基於傳導產生，儘管基於開關或僅基於交流的損失隨頻率增加開始占據主導地位。至於磁芯損失也隨著開關頻率增加而增加。
由於技術進步，能夠以更具成本效益的方式進行效率與尺寸最佳化。儘管已經通過設計最小化了尺寸，功耗仍存在且在移動裝置內造成散熱，因此，在最佳化過程中必須考慮該熱量。元件必須能夠合理散熱，以維持有利的溫度，確保可靠性。元件尺寸控制效率，進而決定功耗，以及基於元件尺寸耗散的熱量；散熱與尺寸之間的權衡是追求提升產品價值的另一個最佳化過程。
控制器功能整合度愈來愈高
控制器位居於整個電源電路中心，可提供正確的開關脈衝，實現調節及高效運行。控制器還確保功率轉換器穩定運行，並確保滿足電池的電壓與電流充電需求。透過更有效的電池充電及熱量管理提升產品價值，控制器獲得越來越多的功能。除了功能性，還需要透過D+及D-端子實現通訊功能。
通訊功能對於識別USB電源非常重要，確保控制器能夠最好地利用可用電源並提供最佳充電效能。檢測電路還用於向控制器傳送資訊。可透過各種方法檢測充電電流，其中，最有利的方法是將功率元件整合到控制器中。快速充電控制器的功能性已進步到需要非常少外部元件的程度，這對於簡化充電器設計同時節省空間及增加額外價值非常有幫助。
在解釋功率級的過程中，可以很清楚了解實現最優的快速充電並非是微不足道的工作。相反，最高效的充電器是整合各種功能的高度智慧化控制器。此外，控制器結合極少的外部元件，有助於實現時髦的小尺寸設計，提升產品價值，特別是在電池壽命部分，更符合消費者所追求的價值目標。
介紹充電元件的基本原理後，接下來本文將重點介紹快速充電系統中的各種功能模組。圖2列出用於可攜式電子裝置(如智慧型手機)旅行充電器由市電電源到電池的生態系統。
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| 圖2 充電器由市電到電池的生態系統 |
圖中顯示電力電子在快速充電器中有著何種重要作用。對於旅行充電器，返馳式轉換器用來產生來自交流線路的 USB電壓。該模組要求隔離、熔斷、整流及額外的初級側與次級側控制功能來產生經過調節的USB電壓。隔離是由產品銷售地區決定的各種規範控制，比如在美國由UL認證控制，在中國由CCC法規控制。
而半導體廠商，如快捷，已開發出用於快速旅行充電器應用的解決方案，這些解決方案令系統大小與效率最佳化，同時增加生產更高級產品時的智慧化功能；這些解決方案以一種獨特的方式綜合起來，提供各種功能及效能。
例如FAN6100Q元件為一款高度整合的次級側電源轉換器控制器，符合Quick Charge 2.0規範。該元件專為需要恆壓(CV)及恆流(CC)調節的應用而設計。控制器由透過可調電壓參考進行電壓與電流回路調節的兩個操作演算法組成。恆流控制回路還包括增益為10的電流檢測放大器。恆壓與恆流放大器輸出以開汲極(Open Drain)配置綁定在一起。
在結合初級側PWM控制器使用時，比如FAN501A元件，可以實現電池充電器，以支援5V/9V/12V範圍內的適應性(Adpative)調整輸出電流與輸出電壓。若檢測到支援快速充電2.0規範的裝置，FAN6100Q元件支援對電源轉接器進行輸出電壓調節。如果檢測到不相容的裝置，控制器則停用適應性調整輸出電壓，以確保僅支援5V輸出電壓的系統能夠安全運行。FAN6100Q支援Qualcomm協定的Quick Charge 2.0規範。
調節型電路對於快速充電器也有非常重要的價值。檢測及介面電路與充電器的USB規範通訊，以確保能夠根據電源類型最佳化充電。隔離開關及浪湧保護器能夠幫助管理負載並確保安全。低壓降線性調節器(LDO)管理較小的「維生」功能並快速啟動「暫態接通」，喚醒裝置。
提高智慧化/縮小尺寸 業界致力增加充電器移動性
行動類產品價值隨智慧化與功能的增加以及整體尺寸的減小而提升。隨著移動性變成越來越重要的因素，這些要求還預計會出現在快速充電旅行充電器解決方案中。設計高效並符合安全標準的快速旅行充電器需要最佳化解決方案，以提供所需的效能並滿足尺寸的局限性。快速旅行充電器控制器相結合，允許設計者採用提供消費者所追求價值的最新技術。
(本文作者任職於快捷半導體)