TI 新生代快速充电技术

大家上午好 我是德州仪器华南销售团队的技术支持 我叫张族贤 英文名叫 Hisen 那今天很荣幸 跟大家介绍一下 介绍一下关于 TI 在新生代的一些快充的技术 那我们今天主要直播的内容有三个点 那第一个是快速充电的发展 以及它在终端设备上的设计挑战 那第二个就是说 我们手机充电芯片的技术的演进 然后第三个就是说 我们介绍一下我们新生代的充电芯片 它目前已经登上了舞台 它有超高的效率 非常小的尺寸 有非常好的功率密度 大家可以一起来看一下 那就我们刚才刚才在那个线下的时候 我看到了很多的 有很多网友发了一些问题 那这边可以看一下 就是我们快速充电发展到现在 我们的标准 其实从以前的五伏 1 安 到现在的五伏 2.4 安 到现在的一些标准 比如说高压的快充协议 和低压的快充协议 再到后面的我们的比如说 USBPD3.0 的 这种下一代的基于电荷泵的 和三电平的充电 IC 那这个就是在这三个领域 TI 都有相关的充电 IC 以及与之对应的快充标准进行对应 所以这个就是在下一代的充电IC 我们这边是叫做 MaxCharge 第三代的充电 MaxCharge 第三代充电 然后它也支持了 USB PD 的协议 和 USB PPS 的协议 OK 在快速充电中 其实我们在设计中带来的挑战 主要有哪些 那第一个就是说 我们要传统的适配器 要突破传统的适配器的功率的限制 传统的适配器可能只有五伏一安五伏两安 那这个时候我们说快充的话 那快速的充电器它首先要支持 大电流的输出或者高压的输出 这样才能满足功率的要求 那在满足功率的要求的情况下 我们的终端设备 需要在外壳温度保持在一定的情况下 那我们如何去优化它最大的充电电流 那在这种情况下 我们就需要我们的充电芯片 通过提升转化效率来降低热的损耗 因为整个充电流程 相当于是这边一个充电器 它会通过我们的线上面 会产生一个电压 一个固定的电压 给电池进行充电 那这个电压到充电之间 中间是有一个充电IC 那充电IC就是把这个电压 到这个电流之间 电压转化成这个电池的电压 然后并且转化成大电流来进行充电 充电 IC 的效率 就取决于整个芯片的 这个整个这个移动设备的发热 所以在这种情况下 所以说我们就需要我们的充电IC 会有更好的效率才能满足这样的需求 那快充的情况下充电IC 不仅要满足快速充电 电流要大效率要高 同时也要能保证电池的安全 以及电池的寿命 其实我们再强调一下 就是我们终端设备在实际考虑中 我们有个外壳温升的限制 一般我们的手机的外壳 或者移动设备的外壳 需要保持在40度以下 当然我们都不希望 我们在充电的时候非常的烫 比如说我们打电话充电的时候 会把耳朵烫到这种应用场景 是大家都不希望的 这样非常影响充电体验 那在这种外壳温度 它是又是由我们的功耗 就是我们的 power loss 和我们本身器件的温升 和整个电路板的总的温升构成的 那在外壳温度固定的情况下 我们如何才能提供更好的 提供更大的充电电流 这就要要求我们的充电IC 我们的 charger 的效率要不停的升高 那再来问的问题就是 为什么充电芯片的效率提升是它的关键 首先这个看一下 就是这个是我们一个 两个不同充电 IC 的一个区别 那上一代的充电 IC 我们可以看到 它的充电效率在 2.2A 的时候 它是它是 91 的效率 在下一代的时候我们换到了 提升了 2.5 到了92.5 这个时候我们可以看到 这个是效率 这个是充电电流跟效率的关系 那再来看这张图 我们换一个角度来看 就是我们的充电电流 在充电电流固定的情况下 输入电压固定的情况下 我们产生的效率损耗 power loss 是怎么样一个不同 那首先来看如果是同样一个 黄色的充电 IC 来看 在充电电流在 2.2 安培的情况下 我们的功率损耗是 0.82 瓦 那如果我们在保持同等功率损耗的情况下 就是保持手机整个温升不变的情况下 那我们换用新的充电 IC 来看一下那新的充电 IC 由于效率更高 它的功率损耗更小 其实在同等的功率损耗的情况下 它可以做到提升到 27% 所以就是我们提升 2.5 的效率 其实可以换来 25 的电流的增加 而且同时要保证手机的芯片的 温度不会有太大的变化偏差 所以说这就是为什么 我们充电器 IC 的芯片的效率 一定要提高提高再提高 这张图我们主要是介绍一下 这张图我们主要是介绍一下 就是功率损耗和充电IC的一个 在手机系统上设计的一个关系 那这张图我们可以看到 我们传统的充电 IC 是在 BQ25890 和 892 的话 它功率损耗可能功率的效率的话 可能只有在比如说在90%和92%之间 其实能用到的区间的充电电流 如果手机如果我们固定 比如说刚才我们说的那个功率损耗 可能在手机上讲的话 一般来说保持 40 度的话 那我们其实整个的功率损耗 可能就在 0.75 瓦到 1 瓦之间 那在固定了这个功率损耗的情况下 我们要选择一个更大的充电效率的话 那我们有很多的选择 那这个地方我们可以看到 是用 890 和 892 这个地方我们可以看到 首先是我们把我们的功率损耗固定以后 把芯片温升固定以后 我们现在可以进行选择 在之前我们只能选择 890 892 这种充电 IC 那今天我们在18年来看的话 我们有新的一个选择 这个因为PPT这个这个动画的问题 我们这边有两个 25970 和 910 的 这个曲线放在后面 所以其实今天我们来看的话 我们的这个范围 可以提升到了三安到六安 在以前的话可能只有 2-3A 这样一个过程 这个是我们 TI 充电芯片的 一个创新演进 这张 slice 那主要介绍是说 我们TI从14年开始 在持续性的对充电方面 进行了持续性的投入 包括14年的2419系列 那还有2589系列 那14年2419系列 主要适用于 5V 2A 这种应用场景 2589系列主要适用于高压 和双引擎这种充电IC的这种场景 那包括我们的16年17年的 这种2587x这种系列 这个适用于低压大电流的应用场景 在17年我们也推出量产了一款叫 叫 Switch cap 的 charger 那这款充电 IC 是支持高压的 高压的输入的充电 在低压的基础上做了一些演进和改变 那基于18年我们还有一颗新的产品 是用 BQ25910 那这一款是第一款业界的 三电平的 buck 的充电 IC 它的拓朴跟一般 buck 有些不一样 但它能实现跟 buck 同样的功能 也是一个非常好的一个从IC 那我们来简单说 今天我们主要讲两个充电 IC 那这个就是25970的电荷泵的 充电 IC 的一些简单的原理 那这个电荷泵的充电 IC 的简单的原理 它是这样一个工作流程 就在工作一的时候是Q1跟Q3打开 那我们可以对应到这张图 可以看到的是我们在通过输入端的 输入端电压给给电容充电 然后同时给电容 1 2 进行充电 充电以后然后这样 这个让电容 1 2 的电压 完全保持一致的以后 那我们看到这个 是我们充电电流上的 这个电容的纹波的波形 那在2的时候 我们的 C通过这样通过Q2Q4导通 通过把这个 Cfly 上的电容的电压 传递的能量通过这个东西 传递到这个输出端 让这个整个充电流程的 Cfly 上的 电容的纹波保持一个不变 那这样的话在实际工作过程中 是通过了 Cfly 的电容 进行了那个电荷的一个搬运 也实现了那个能量的传递 因为这种电荷泵似的那个充电IC 它的拓扑它有几个好处 第一个是说它在零电压零电流 它能实现零电压的开启和零电流的关断 它这样的话能够保证 这个整个充电IC的充电效率 达到非常非常的好 然后第二个然后它在效率优化上面 还有就是本身没有整个通路 它没有电感的器件 没有感性器件的话 它其实没有二极管的导通 在 MOS 管关闭的时候 它没有二极管的导通 它没有反向恢复的时间 那最后就是我们这个整个充电通路 没有电感的器件 也没有电感的 DCR 的效率损耗 所以整个过程 只是它的导通损耗 占了整个充电IC的 一个比较大的一个点 那这张图就是可以看到 我们25970的最核心的一个 spec 那就是说这个充电IC 我们可以看到它在六安培的情况下 充电的效率可以达到96.5% 那我们也看到刚刚在零点八瓦的这个 这个 power loss 的情况下 我们可以看到这个充电IC可以实现 六安培的一个充电 那这个完全就是 完全就是说同等的功耗 就跟上一代比是同等的功耗情况下 可以实现六安培 而之前的我们的 25890 可能是在 2-3A 这样一个区间 是大幅度的提升了 这个我们的热裕量和 power loss 这个大幅度地降低了我们的power loss 那25970除了实现如此高效以外 它还有它还有除了这个除了充电 除了电荷泵这个拓朴结构比较高效以外 它还可以实现的是说 它做一个充电IC的一些重要功能 那它充电 IC 的一些重要功能 主要是第一个就是说 我们集成了一个外部 MOS 这个功能 那集成外部 MOS 的话 因为我们这个 slice 本来是个动画 那这边现在没有了 我就大概跟它讲一下 就是说外部的话一般来说 我们是一个 OVP 的一个器件 它会加一个在整个充电过程中 会前面会加一个 OVP 的这个器件 作为保护防浪涌的保护 那这个 OVP 的器件的话 通常情况下讲它是一个 串在这个整个通电通路上的 它的大概的 Rdson 的话 大概是 10 到 20 毫欧之间的一个水平 但是我们这个 TI 的这个25970 它集成了一个外置OVP的一个这个保护 它是可以通过控制一个 MOS 管 来控制这个 OVP 的这个功能 相当于是把外置的OVP的功能 变成了一个分立的 用 MOS 管搭的一个方案 但是用 MOS 管的话它就有个好处 那 MOS 可以选择 1 到 2 毫欧的这种 那可以保证在正常的 3A 电流输入的情况下 它至少可以节省80毫瓦的一个功耗 那其实这套方案就是说 这个是作为 TI 充电IC里面特有的一个功能 然后它本身的这个OVP的响应速度的话 它也可以达到了本身OVP的一个功能 可以达到纳秒级的响应速度 也是非常的快 可以作为浪涌 可以防止前期的一些浪涌的保护 那第二个点就是说 我们有一个12比特的高精度的 ADC 可以用于整个充电控制中的电压电流 还有包括输入电压和输入电流的 信息的控制和采集 那这个可以看到我们可以随时 因为在这个充电过程中 我们可能需要知道 电池的实时的电压电流 和输入端的实时的电压电流 同时把这些信息反馈到适配器 通过适配器来进行调节 那这个时候就需要 那个是我们采的这个电流 是非常精确和实时的 那这个就是我们12位 ADC 在整个过程中的应用 那刚才还有一个网友质问的 就是说我们这个充电IC 是不是集成了这个温度监控 那我这边介绍一下 就是我们这边集成了两种温度保护 第一种是监控就是 TS_bus 可以监控到USB端口的 你放一个 NTC 电阻 接到这个USB端口上去 监控USB端口的保护 第二个就是 TS_bat 就说接到电池上面去 那这两个 NTC 就可以分别作为 充电的输入端端口的检测 和电池端的一个检测 那通过这个办法 我们就可以硬件的实时的监控 那个输入端的温度和充电的温度 也实时的系统上 对这两个端口的温度进行实时控制 那此外那这个我们还有一些 很多的一个 protection 就是说很多的保护功能 包括了电池电压的过流 电池电压的过压 然后还有输入的 输入电压的过流 输入电压的过压 和我们这个整个 Cfly 电流的过流的保护 保证了整个充电过程中的安全可控 那这张就是我们的BQ25970的page 那这边主要是介绍一下这个产品 我们现在已经量产了 可以再大家可以登录 ti.com 上面去搜 BQ25970 就能下载到相关的信息 也可以在我们的 TI store 上面 申请 EVM 和 sample 进行测试 那刚才还有一个网友我还提到了是说 就是 BQ25970 最大支持的充电电流是多少 大概可以看到这边就是 这个最大支持是 8 安培 所以说大家可以基于这个自己的要求 和自己的充电的电池的规格来进行选择 那另外除了 25970 我还要跟大家介绍一个是我们的BQ25910 这个也是我们一个很厉害的一个 黑科技的一个产品 它为什么说是黑科技 它是业界第一款三电平的充电IC 那也是我们的第三代 max charge 的第三代 什么叫三电平 那我先介绍一下这个它有什么好处 然后我们再介绍一下 三电平的一些基本的工作原理 那这个充电IC它的好处 第一个是说效率上 它将相对于以前 buck 的提升 是有5%的效率的这个提升 就是基于我们的25890 来进行实测的一个提升 然后第二个还有一个 我们有一个很高的 lossless current sensing 的技术 它的意思是说 我们只是通过开关管 来进行充电电流的控制 我们不需要我们的像25890上面的 Battery FET 进行电池电压 电池电流的采样充电电流的采样 那这样的话可以帮我们节省 至少10毫欧的这个 整个充电路径上节省10毫欧 那可以更高更好的提升效率 然后这个东西是说 我们主要是用于从 IC 那就是说进行一个并联充电 它可以兼容 TI 的 charger 也包括了这个平台上的一些charger 包括 PMIC 的一些 charger 都是能够实时监完全兼容的 然后还有一个我们 是可以全差分的采样电池的电压 电池的电压信息 这样能够保证电池电压无损 直接踩到电池电芯端的信息 这样的话我们可以无损就把 线路上的损耗给补偿掉 与此同时这个还有一个 我们它有 I2C 的控制 就跟以前的 25890 和 25892是非常的类似 操作起来也很也很方便 那最后就是这个充电IC的芯片 是用了我们TI最新的LPC9的一个工艺 那这个工艺的话 它能够保证我们在 充电同时非常好的情况下 同时能够保证它的这个 封装芯片的封装的面积 变得非常非常的小 那就简单来介绍一下 我们这个三电平电压的 工作的一个原理和条件 就是这个是我们三电平的 一个整个的一个拓扑 整个过程功率器件 它功率器件包括两个 一个是 fly 电容 一个是输出的电感 它在工作的时候分四种条件 那我们这边分两种情况来讨论 就是输入电压 输入电压比较高的时候 比如说电池电压是四伏 那输入电压比较高 高于八伏的时候 那这个时候我们的工作场景来看一下 那输入端的时候 我们是Q1跟Q4在正常导通 那 Cfly 的电压 我们可以认为是1/2的 vin 的电压 那那其实我们可以看到 如果 Cfly的电压是1/2的Vin的电压的话 那SW点的电压 那就相当于是Vin减去 Cfly 就等于1/2的Vin 然后1/2的Vin电压 给电感电流给 Vout 给电感电流减去 Vout 的那就相当于是Vin电压 如果比 Vout 的电压高 1/2 的 Vin 比 Vout 高的话 那就是 VSW 给电感电流进行充电 那我们可以看到电感的电流是这样上升的 那这样在这个周期里面 我们的 Q2 和 Q4 是导通的 那相当于是这个是正常的一个 buck 的 类似的我们电感电流的一个续流的周期 那相当于是电感电流 就相当于是通过电感电流续流 然后导致让电感电流逐渐的放电 那第三个 第三个周期就比较有意思了 是通过这个电容为 Cfly 的电容 给这个电感进行充电 因为我们可以看到 刚刚电荷泵里面也能储能 那这个 VCfly 也能够储能 那通过这个办法可以 让这个 VCfly 上面的电压进行得到释放 并且给电感电流进行充电 那最后一个周期 还是一样这样一个 buck 周期 那这样来看来的话 就是一个电感电流续流的过程 那整个过程可以看到 整个过程它是分了那个 小于50%和大于50% 那但是其实对于输出来看的话 其实是完全是一个 跟传统的 buck 结构是不是相类似的 它是一个电感电流上升下降 上升下降的一个过程 只有输入端的这个功率级上面 是有些不一样 那我们来看下一页 下一页是说 当输入端的占空比大于50%的时候 意思就是说输入端是五伏 输出端还是四伏的时候 那这个时候 VCfly 电压 也是 1/2 的 Vin 那这个时候可能只有 2.5 伏 那在这个地方我们可以看到 当输入端减去 VCfly SW的电压是只有2.5伏的时候 它是怎么给电感充电的时候 实际上这个时候是电感续流的过程 所以相当于是说 电感的电流在这个时候是被放掉的 然后那如果在这个放的过程中 我们如何保证电感电流在下个周期 能够恢复回来 那所以说我们这个控制逻辑 现在发生了一些变化 Q1跟Q3导通 那这个时候是Vin的电压 直接给电能电流进行充电 那这个时候也是一个 电荷电流充电的过程 电感充电的过程 那还有一个过程就是我们 VCfly 进行放电的时候 通过这样一个办法 就因为 VCfly 电压比较低 那其实这个时候也是一个续流的过程 那最后还是通过这样一个 Q1跟Q3导通的情况下给电感电流进行充电 那完成了整个充电 整个的电感电流的续流 和电那个电容的续流的一个 电容的那个稳压的一个过程 那在这种情况下 那我们来看一下它有什么好处 它在不管是输入电压大于 2Vin 和输入电压小于 2Vin 的时候 它 SW 的电压它永远只有1/2的Vin 那这就保证我整个开关的时候 这就保证了我整个器件的开关损耗 会比一般的传统的 buck 会低一些 那就是整个的 switch loss 会低一些 那第二个就是我们电感电流的纹波 我们可以看到这个的对比 那如果是在50%的占空比的情况下 电感电流的纹波会比较大 由于我们这个等于1/2的Vin 所以 1/2 Vin 的电压给电感进行充电 其实是降低了我们输入端的 降低了电感电流的纹波 这个电流峰值的纹波 所以其实也降低了电感整个的 loss Reduced inductance need 还有还有 DCR 和它的 AC 的这个功率损耗 所以三电平主要总结下来 其实就是开关损耗变得比较低 电感纹波比以前小 所以它整个的损耗 会比传统的 buck 会提升很多 那这个就是我们实测的一个 实测的效率的一个波形 可以看到我们在 25910+330nH的电感的情况下 那我们的效率 可以提升至少有5%个百分点 那我们这这边可以看到 功率损耗相同的情况下 以前 25892 是大概是 1uH 2.8A 那如果换到 25910 的话 25910 用 330nH 就可以充电充到4.3安培 相当于提升是非常大的 一个非常大的一个提升 同时的话这个芯片的这个 就是这个电感的这个体积会变得比较小 因为 330nH 的话可以把这个 330nH 的电感体积会比 1uH 的要小很多 那这个就是我们 25910 的 典型的一个充电IC的一个 双引擎充电IC的一个场景 那第一个就看到比如说 这是我们的主的充电 IC 比如说类似于 25890和25896 那这个地方做主的充电IC 那它是带 power pass 的 它需要给不仅给那个电池充电 还需要通过电池给系统供电 或者还需要输入端给系统供电 那在 25910 从 IC 功能简单一点 就是输入端直接输入只给电池充电 那这样的话 它就能够保证那在整个从IC的过程中 你的充电电流完全是可以进行配置的 所以在整个充电过程中 我们在主加从的这种方式 可以优化到这个 可以极大地优化充电的温升的一个效率 那这个是我们这个 EVM 板上的 面积的一个对比 那这边可以看到 25898 的话 整个的 EVM 的面积是76.2 那这 25910 EVM 面积56个平方毫米 所以25910的话 整个的话因为它兼容的电感比以前做得更小 所以它其实整个的面积会优化 可以优化的更小一些 然后它比本身的发热也会更低一些 那我们可以看一下 我们整个的发热的一个对比 那发热对比的话我们可以看到 25910 在同等的充电条件下 9伏输入3.8伏充电电流三安培 那25910整个充电IC的温升才43.5度 然后这个25898 这个的充电IC的温度是51.5度 可以看到就是同等的 EVM 的情况下 那25910可以减少7.5度的这个therma 可以减7.5度的温升 那其实对于对于客户来说 如果你要把这7.5度提升上来 那充电电流就会相当的大 是通过这个办法 你可以两种设计思路 一种是保持充电电流不变的情况下 然后我们可以把它这温度做的 就芯片的温度会做的更低 那还有就是把芯片温升不变的情况下 那可以把充电电流做得更大 那这个就是25898和25910 在配合充电的时候 进行的一个整个充电流程的一个监控 那一个测试波形 那我们可以看到 这个是我们的电池电压在不停的上升 再上升到一定阶段的时候 在恒流的快速恒流阶段的时候 25910我们进行先截止 然后25898进行后截止 进行后面的CV的一个过程 那整个过程中 可以保证它整个的时间可以做得很长 然后也能保证它能够跟主 IC 完美的配合 这个就是我们25910的整个充电流程 它其实只支持到这个CC充电 和部分的CV充电 那其实在CC就是在这种 低于电池电压比较低的时候 还是需要主IC来配合 那在电池要高的时候 它需要主IC来进行这个恒压的控制 那 910 只负责整个大电流环节中 效率最高的那一部分 那这样就能保证 整个充电速度能够更快更好 那最后总结下来其实就是 大家对于快速充电的需求也越来越高 所以也需要我们提高快速充电的电流 以及充电的功率 那给我们带来的难度 就是说我们要保证我们的 在功率提高的情况下 我们要提高我们的效率 然后同等同时也减小尺寸 然后提高整个充电 IC 的功率密度 那这个时候我们就 也提出了一些新的解决办法 就是25970和910这些 这个高效率的充电IC来突破这些挑战 那最新的手机设计中 我的建议是说 我的建议是给大家是说 可以用到这种25970和910 来提升这种快充的体验 那我们也希望就是 我们的大家可以 参加了这个直播以后 可以在网上申请我们的 在 ti.com 上面去下载我们的资料 直接去搜索 BQ25970 BQ25910 可以下载这个资料可以申请样品 那也希望大家去基于这款样品 做一些验证和测试 也最终希望大家能够 在自己的终端设备上面 能够用我们的产品 为我们的整个的 整个的手机的充电体验能够更上一个台阶