治愈快充焦虑症，Qorvo 的新“药”来了！
发布时间：2020-04-24 16:01:27
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
本文来自Qorvo公众号
自从用上了智能手机，很多人都或多或少患上了“电量焦虑症”。特别是当手机 CPU 的算力越来越强、屏幕越来越大、功能越来越多时，看着电量百分比哗哗往下掉，心里的那片阴影总是挥之不去。
解决这种“焦虑症”最根本的办法是电池技术的创新，不过鉴于锂离子电池技术（和智能手机其他技术相比）“龟行”般的演进速度，人们只能是一声叹息。于是几年前大家将治疗“焦虑症”的思路转了一个方向——开始从加快充电速度的角度做文章。于是“快充”成为了一个热点，高通的 Quick Charge、联发科的 Pump Express、OPPO 的 VOOC、华为的 SCP、USB-IF 的 USB PD……各种快充技术纷纷登场，“充电 n 分钟，通话 n 小时”之类的广告语也变得耳熟能详。
01快充江湖，USB PD 何以胜出？
尽管不同的快充技术各具特点，但从大的技术策略上看，其实都有异曲同工之妙，大家主要的技术着力点无非是以下几条：
o 提升充电的电压和电流，增加单位时间内的功率供给。
o 在充电和受电设备之间建立通信协议，根据需要动态调节充电电压电流，让效率最大化。
o 将可调充电电压电流的阶跃间隔缩小，进一步提升效率。
经过数年的鏖战，目前快充技术的竞争格局也基本明朗—— USB PD 已经确立了稳固的优势地位，一统充电江湖指日可待。USB PD 的胜出，究其原因有两个方面。
从技术上讲，虽然 USB PD 和其他快充技术相比，在进入市场的时间上不占先，但其将后发优势发挥得淋漓尽致，可谓是“人无我有，人有我优”：
• 输出功率方面，USB PD 可提供最大 100W 功率输出（20V/5A），不仅可以满足智能手机等便携设备所需，也可以满足更大功率的消费电子产品的需求。
• USB PD 定义了特有的供、受电端动态协商机制，实现了自适应的按需供电；在 USB PD 3.0 的 PPS（Programmable Power Supply）规范中，将 VBUS 线上的电压和电流调整阶跃精细到 20mV 和 50mA，进一步减少能量损耗，提升充电效率。
• USB PD 还支持角色切换功能，一个设备可根据需要提供供电或受电的功能。
从非技术的角度来讲，凭借 USB PD 背后强大的 USB 生态系统的支持，其在竞争中可用的筹码更多。比如在 PPS 规范中，USB-IF 就规定了“不允许 USB 接口通过非 USB PD 的协议来进行电压和电流调整”，这明显有利于 USB PD 在市场中优势地位的确立。
正是由于技术和非技术两方面的合力，不论是主动迎合还是被动接受，快充市场的玩家纷纷向 USB PD 靠拢。谷歌在 Android 7.0 OEM 规范中提出“使用 USB 接口的手机，其快充技术必须支持 USB PD”；高通从 Quick Charge 4.0 开始，已经兼容 USB PD 协议；苹果虽未明确表态，但有分析称从 iPhone 8/8 Plus 起，也开始支持 USB PD 了……
可见，在治愈快充“焦虑症”这件事上，USB PD 已经成为一副公认的“良方”。
02快充IC，何谓“良药”？
既然有了药方，接下来关键的一步就是如何炮制良药了——也就是如何开发出符合 USB PD 标准、适应市场所需的芯片方案。
在 USB PD 快充 IC 的研发上，近年来各个厂商推出了不少新品，也尽可能将自己在电源管理领域积累的功力充分发挥出来。归纳起来，众厂商芯片研发的发力焦点主要在以下几个方面：
更佳的性能，更高的效率；
提供与 USB 控制器的接口，实现动态可编程，让 USB PD 自适应按需供电的特性充分发挥出来；
更高的集成度，简化系统，优化 BOM；
满足安全和可靠性要求。
在诸多 USB PD 快充 IC 中，有一款产品很值得圈点，这就是来自 Qorvo 公司的 ACT4751。
图 1：USB PD 快充 IC ACT4751
从芯片架构上看，ACT4751 分为四个部分：
• 主稳压器：一个 4A 同步整流降压 DC-DC 转换器，支持动态的电压电流调整。
• “迷你”稳压器：一个提供 5V/350mA 输出、始终开启的降压 DC-DC 转化器。
• 辅助 LDO：一个输出电压可编程的 20mA 低压差线性稳压器。
• 控制逻辑：包括状态机逻辑和 I2C 接口控制器。
主稳压器是决定充电器性能的关键部分，ACT4751 的主稳压器通道支持 4.5 至 40V 输入范围，可以提供最高 80W 的输出功率，由于采用了同步整流架构，同时在内部集成了两个 50mΩ 的 MOSFET，因此具有不俗的效率表现。
与主稳压器“打配合”的是控制逻辑模块。ACT4751 可通过 I2C 接口与 USB 控制器连接，基于专有控制算法，通过编程可在 3V 到 24V 间以 12.5mV 步长对输出电压在进行动态调整，电流方面可以在 0~4A 之间以 256 个步长进行调整。该器件可在 450kHz 至 2.25MHz 频率范围内进行固定频率电流模式控制，支持外部时钟同步和 100％ 占空比操作。
图 2：ACT4751 具有不俗的效率特性
在主稳压器之外，ACT4751 通过“迷你”稳压器和 LDO 提供两路辅助电源，可以分别为 USB 控制器和 USB-C 中的 1.5 W VCONN 有源电缆供电。因此只需一个器件，ACT4751 就能提供多个电源轨，更高的集成度让系统电路结构也变得更简单。
此外，ACT4751 还集成了自我保护功能，包括热关断、欠压和过压保护以及具有打嗝/闭锁模式的过流保护，确保应用的可靠性和安全。
03认证方案，手到“病”除！
为了让开发者切实体会到 ACT4751 的“疗效”，Qorvo 在推出芯片产品的同时，还特别提供了经过行业认证的参考设计方案。
比如下面这个采用四颗 ACT4751，配合 Cypress 的 USB 控制器 CCG3PA 设计的四端口 USB 充电集线器参考设计，在一块电路板上同时支持两个 80W USB-C PD 通道和两个 7.5W USB-A 通道，功率总计达到 175W。该电源充电器方案通过了 USB-IF 的 USB-PD 3.0 认证，在此基础上进行开发可大大简化设计流程。
图 3：基于四个 ACT4751 的四端口 USB 充电集线器参考设计
图 ４：基于四个 ACT4751 的四端口 USB 充电集线器参考设计框图
在这个四通道的 USB PD 充电集线器参考设计架构基础上，Qorvo 还将其简化为一个单通道的 80W USB PD 充电器方案，这当然是游刃有余了。
图 5：基于 ACT4751 的 80W USB PD PPS 充电器参考设计
图 6：基于 ACT4751 的 80W USB PD PPS 充电器参考设计框图
值得一提的是，在 ACT4751 标准器件基础上，Qorvo 还瞄准日益增长的车载快充市场，推出了符合车规的 ACT4751M。ACT4751M 的工作电压高达 40V，具有在苛刻的汽车环境中承受高达 48V 负载突降事件的保护功能。该器件通过了 AEC-Q100 车规认证，并符合汽车 EMI 标准 CISPR 25 Class 3，为“上车”铺平了道路。
ACT4751M 还有一个特性，就是支持高通的 Quick Charge 快充标准。Qorvo 也基于 ACT4751M 开发出了包含四个通道（两个 80W Quick Charge 4 + 通道和两个 40W Quick Charge 3.0 通道），总功率达 280W 的快充集线器参考设计方案。该方案同样通过了 Quick Charge 的认证，并在转化效率和外形尺寸上经过了全面的优化，为加速开发者商用产品的上市提供了便利。
图 ７：基于 ACT4751M 的四通道 Quick Charge 充电集线器参考设计框图
毋庸置疑，USB PD 的快充时代已经来了，像 ACT4751 这样的快速充电 IC“良药”，对解决快充“焦虑症”大有裨益，也给智能手机和其他充电电子产品的设计提供了更大的、可以“任性而为”的空间。这对于开发者和最终用户，都是一个福音。
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