治愈快充焦虑症，Qorvo的新“药”来了！

由 cathy 提交于周三, 22 四月 2020 - 13:33

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。

1、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：

<ul>
<li>
提升充电的电压和电流，增加单位时间内的功率供给。
</li>
<li>
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。
</li>
<li>
将可调充电电压电流的阶跃间隔缩小，进一步提升效率。
</li>
</ul>

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”：

<ul>
<li>
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。 

</li>
<li>
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。
</li>
<li>
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。
</li>
</ul>

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”。

2、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：
<ul>
<li>
更佳的性能，更高的效率； 

</li>
<li>
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；
</li>
<li>
更高的集成度，简化系统，优化BOM；
</li>
<li>
满足安全和可靠性要求。
</li>
</ul>

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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95857-2.pn…; alt=“图1：Qorvo公司USB PD快充IC ACT4751（图源：Qorvo）” width="600"></center><center>图1：Qorvo公司USB PD快充IC ACT4751（图源：Qorvo）</center>

从芯片架构上看，ACT4751分为四个部分：

1、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。

2、“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。

3、辅助LDO

一个输出电压可编程的20mA低压差线性稳压器。

4、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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95858-3.pn…; alt=“图2：ACT4751具有不俗的效率特性（图源：Qorvo）" width="600"></center><center>图2：ACT4751具有不俗的效率特性（图源：Qorvo）</center>

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。

3、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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95859-4.pn…; alt=“图3：基于四个ACT4751的四端口USB充电集线器参考设计（图源：Qorvo）” width="600"></center><center>图3：基于四个ACT4751的四端口USB充电集线器参考设计（图源：Qorvo）</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95860-5.pn…; alt=“图４：基于四个ACT4751的四端口USB充电集线器参考设计框图（图源：Qorvo）” width="600"></center><center>图４：基于四个ACT4751的四端口USB充电集线器参考设计框图（图源：Qorvo）</center>

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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95861-6.pn…; alt=“图5：基于ACT4751的80W USB PD PPS充电器参考设计（图源：Qorvo）"></center><center>图5：基于ACT4751的80W USB PD PPS充电器参考设计（图源：Qorvo）</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95862-7.pn…; alt=“图6：基于ACT4751的80W USB PD PPS充电器参考设计框图（图源：Qorvo）” width="600"></center><center>图6：基于ACT4751的80W USB PD PPS充电器参考设计框图（图源：Qorvo）</center>

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<a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/new/qorvo/qorvo-act4751m-pmic" textvalue="ACT4751M" tab="outerlink" data-linktype="2">ACT4751M</a>。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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-04/wen_zhang_/100048907-95863-8.pn…; alt=“图７：基于ACT4751M的四通道Quick Charge充电集线器参考设计框图（图源：Qorvo）” width="600"></center><center>图７：基于ACT4751M的四通道Quick Charge充电集线器参考设计框图（图源：Qorvo）</center>

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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<center><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/new/qorvo/qorvo-act4751-usb-fast-charger-ic/" textvalue="Qorvo ACT4751 USB快速充电器IC" tab="outerlink" data-linktype="2">Qorvo ACT4751 USB快速充电器IC</a></center>
<center><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/new/qorvo/qorvo-act4751ev-kit/" textvalue="Qorvo ACT4751EVK1-101评估套件" tab="outerlink" data-linktype="2">Qorvo ACT4751EVK1-101评估套件</a></center>
<center><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/new/qorvo/qorvo-act4751m-pmic/" textvalue="Qorvo ACT4751MUSB快速充电器IC" tab="outerlink" data-linktype="2">Qorvo ACT4751M USB车规快速充电器IC</a></center>