Стартап Lion Semiconductor представил концепт быстрой зарядки смартфонов на технологии преобразования напряжения для силовых ИС или преобразователей напряжения с переключаемыми конденсаторами. Ранее тот же стартап предлагал новый концепт самой микросхемы управления питанием.
Достижения последних лет в сфере быстрой зарядки в основном не связаны с новыми технологиями самих батарей, а, скорее, с эффективностью систем зарядки.
Показатель рассеивания мощности смартфона составляет всего около 4 Вт, в редких случаях — 5. Это косвенно устанавливает физический предел скорости зарядки телефона, так как устройство не должно испытывать перегрев. Даже при эффективности зарядки в 99%, система зарядки 100 Вт потеряет 1 Вт.
Однако преобразователи с переключаемыми конденсаторами по сравнению с традиционными ИС на основе обратного преобразователя способны достигать более высокой эффективности при меньшей сложности компонентов. Традиционный понижающий преобразователь работает посредством импульсной волновой модуляции входного напряжения в катушке индуктивности, которая сохраняет и «буферизирует» энергию в более низкое «сглаженное» выходное напряжение. Проблема с такими конструкциями состоит в том, что для них требуется больше пространства на печатной плате, поскольку магнитные компоненты могут быть довольно большими. Можно уменьшить размер индуктора, увеличив рабочую частоту PWM (pulse width modulation, широтно-импульсная модуляция), но это увеличивает потери мощности, связанные с коммутацией в цепи. Типичный понижающий преобразователь в настоящее время имеет КПД 90-94%, что недостаточно для быстрой зарядки с высокой мощностью.
Конструкция с переключаемыми конденсаторами просто переключает свою входную мощность на небольшое количество конденсаторов без задействования магнитных компонентов. Это уменьшает потери мощности в несколько раз, вплоть до 4. Недостаток системы заключается в том, что она не может работать в качестве регулятора, как в случае с динамическим напряжением у понижающего преобразователя.
Что касается смартфонов, то речь идет, в основном, о конструкциях переключаемых конденсаторов с делителем напряжения с общим коэффициентом преобразования 2: 1. Некоторые системы быстрой зарядки работают при более высоком напряжении, например, 9 В, чтобы обойти ограничение тока USB-кабелей. Эти зарядные устройства при подключении проходят через простую схему защиты от перенапряжения смартфона, заряд преобразовывается в напряжение заряда литиевой батареи (обычно около 4,4 В) с помощью понижающего преобразователя. При эффективности преобразования около 92% для системы мощностью 18 Вт это приведет к рассеиванию 1,2 Вт. Потери преобразования будут еще больше для беспроводных систем зарядки, которые работают при более высоком напряжении.
Телефоны нового поколения пытались решить это ограничение преобразования мощности, просто перемещая основные схемы регулирования напряжения и схемы преобразования за пределы телефона. USB PPS (программируемый источник питания) — это новейший широко распространенный стандарт, который позволяет зарядным устройствам точно регулировать их выходное напряжение. По сути, это устраняет проблему ограниченного рассеивания мощности телефона, но создает необходимость усложнять внутренние зарядные цепи телефона.
Системы Oppo SuperVOOC или OnePlus Dash Charge отслеживают текущее напряжение аккумулятора, чаще всего с удвоенным отношением напряжения 2: 1. Обычно разряженная литиевая батарея имеет напряжение около 3,8 В, а при полной зарядке оно составляет 4,3-4,4 В. Зарядное устройство отслеживает увеличение кривой напряжения во время зарядки, например, от начальной точки 7,6 В до полностью заряженного состояния, около 8,8 В.
Именно здесь можно подключать преобразователи с переключаемыми конденсаторами, которые смогут снижать входное напряжение до обычного — 3,8-4,4 В, которого требует батарея. Эффективность преобразования вырастает с 92% до 98%.
Эту же схему можно использовать в более современных беспроводных систем быстрой зарядки, которые работают при еще более высоком входном напряжении — 20 В. Использование преобразователя 4: 2 позволяет эффективно разделить это рабочее напряжение еще до того, оно будет снижено до рабочего напряжения аккумулятора. В сущности, беспроводная зарядная система мощностью 30 Вт будет давать всего 1,2 Вт рассеивания в телефоне.
В системах с батареями 2S, таких как Oppo, используются две батареи, соединенные последовательно. Это позволяет исключить любое преобразование напряжения в телефоне во время зарядки, и интегральная схема зарядного устройства здесь только контролирует входной ток, достигая 99% эффективности зарядки. Поэтому новейшие модели могут достигать мощности зарядки 60 Вт без перегрева. Проблема такого решения с двумя батареями заключается в том, что, хотя оно устраняет проблему с зарядной мощностью, но компоненты смартфона и PMIC (микросхемы управления питанием) предназначены для работы с обычными рабочими напряжениями литиевых батарей. Из-за этого необходимо преобразовать более высокое последовательное напряжение двух батарей в постоянное напряжение, возвращающее потерю эффективности на 2%, но уже во время нормальной работы телефона. Получается, если Oppo говорит о 4000 мАч в смартфоне, то фактически подразумевается ~ 3920 мАч (эффективность —98%). По сути, это компромисс между скоростью зарядки и емкостью аккумулятора телефона.
Недостаток новых систем быстрой зарядки в том, что они развиваются быстрее, чем те, которые способны поддерживать аккумуляторные технологии, и со временем это приведет к более серьезному снижению емкости. Согласно подсчетам специалистов, заряд будет составлять около 70% за 600 циклов при скоростях зарядки до 2-3С.
Lion Semiconductor в 2016 году уже показал прототип более компактной микросхемы управления питанием, которая позволит производителям мобильных телефонов увеличить срок службы батареи. Ее размеры меньше в 3 раза, а толщина — в 1,5 раза.
Обычно в PMIC используют дискретные компоненты, такие как индукторы, что отражается на эффективности. Альтернативы, такие как регуляторы с низким падением напряжения (LDO), имеют более низкую эффективность, а использование переключающих регуляторов делает PMIC громоздкими и дорогими.
В Lion Semiconductor показали конструкцию силового преобразователя, которая не потребует дискретных катушек индуктивности (типа LDO), но обеспечит эффективность переключающих регуляторов.
Фото: semiwiki.comВоньюнг Ким, соучредитель и генеральный директор Lion Semiconductor, разработал интегрированный регулятор напряжения, когда был аспирантом в Гарвардском университете.
Фото: semiwiki.com
Другой соучредитель фирмы, Хан-Фук Ле, выполнял аналогичную работу в Калифорнийском университете в Беркли. Они отмечали, что для запуска цифрового SoC или процессора потребуется не менее $100 млн, 100 инженеров и 10-летний план.
См. также:
