延长电池寿命是智慧型手机採购商提出的首要需求。无论装置是智慧型手机还是其他可携式电子装置，智慧型、最佳化旅行充电器解决方案在提升可携式电子装置的价值与改善客户体验方面都有著至关重要的作用。随著可携式电子装置越来越薄而功能越来越多，快速旅行电池充电器在增加客户价值方面变得至关重要。本文将介绍在旅行用快速电池充电器(或更被广泛地称为旅行电源转换器)中採用最新技术的选项。

电力电子七大价值

儘管过去二十年中电池技术已经取得显著进步，能量密度仍是有限的。由于物理化学定律的局限性，电力电子及相关的智慧化对提升价值变得至关重要。价值的形式为：更高的密度、快速充电时间、轻量、小尺寸、安全性、环境影响及电池寿命。

．功率管理智慧化提高能量密度

如果电池提供的电量只是被系统级电源及负载处理电路浪费掉，提高的能量密度就没有任何意义。类似地，选择充电器智慧化及功率处理元件对于提高能量密度至关重要。物理学说明能量总是守恒的。由于负载不断增加，全球能源储备负担越来越重，这成为一件具有严重后果的事情。

智慧化与新增功能不是免费的，需要更多的电量来实现。关键点在于充电能量须要进入电池，而不是在充电器内以热量的形式浪费。除了效率，尺寸对于旅行充电器也非常重要。选择合适的元件，要求系统设计知识及经验。更多的系统功能，要求提高功率管理智慧化，以增加整体价值。因此，充电技术最好是留给开发智慧电源管理解决方案的专家。

．快速充电价值日增

快速充电时间对于客户越来越有价值，尤其是当他们越来越多地依赖移动装置时更是如此。根据充电电源、电池的化学成分及电池容量，平均充电时间可能变化很大。快速充电增加移动性，同时减少装置需要充电的「被束缚」时间，因此增加了装置的价值。快速充电要求智慧化、高效、功能丰富的充电解决方案，以便充分利用可用的电池储备能力及电源。

．成熟解决方案有助减轻磁性元件重量

电池中的能量密度与重量及技术有关。对于充电，单方面提高电池密度是没有意义的。由化学方面提高电池密度省下来的空间，很可能会浪费在充电电路上。最有效的电池充电方法取决于暂时存储及传输能量的开关电源装置，诸如电感器及变压器等磁性元件是该过程的关键元件，最佳的磁性元件是透过所选拓扑及开关频率的结合而实现。轻量最佳化最好由拥有成熟解决方案的专家实现，以便减轻电源管理电路，尤其是磁性元件的重量。

．缩小充电器体积增加产品价值

移动装置的趋势是萤幕尺寸越来越大，而装置厚度却以惊人的速度减小。有人可能记得过去的笔记型电脑及其厚度；但今天，手机正接近纸的厚度。与增加产品价值类似，透过减小整体尺寸，充电电路对于提高产品吸引力起了至关重要的作用。透过有效设计电力电子装置来减小旅行充电器的尺寸，能够增加产品价值。

磁能存储(电感器)及传输(拓扑及/或元件，如变压器)都是与体积相关的。拓扑选择及开关频率确定磁性元件的体积。透过体积配置最佳化，就能够获得为移动装置厂商提供卓越产品的充电解决方案。因此，充电电路在吸引客户方面起著非常重要的作用，同时最佳化充电解决方案为厂商提供尺寸更小的高效电源管理设计。

．初级/次级控制器结合满足安全需求

一般充电器或旅行充电器都必须满足安全法规，包括隔离要求。对于快速旅行充电器，这会影响变压器设计、控制方法及电路布局，可能会为缺乏经验的设计师带来意料之外的结果。项目的成本增加及时间延迟原因，主要安全测试期间进行的最后设计修改所引起。因此，最重要的是预先瞭解要求及设计方法。

例如旅行充电器等低功率装置选择的拓扑是隔离返驰式转换器。该技术对电感器及隔离变压器都採用磁性元件。安全要求对磁性元件的沿面(Creepage)和间隙(Clearance)距离参数都有强制要求。因此，需要谨慎规划，以最佳化能量存储与传输，同时不会增加寄生效应或违反安全要求。

返驰式拓扑利用初级侧开关，对输出电压进行次级侧控制。为满足安全要求，需要使用隔离屏障。如快捷半导体(Fairchild)，便利用独特的初级侧与次级侧控制器相结合方法解决该问题。初级侧控制器检测电流与电压控制开关，同时次级侧控制器调节电压并採用同步整流实现更高效的能量传输。

．提升电源充电效能降低环境影响

随著移动装置销量越来越大，淘汰产品对环境的影响也越来越大。而不必更新硬体通常会减少对环境的影响，这便赋予移动电子装置供应商一个具有竞争力的优势。理想的环保状况是，硬体设计极佳，只需透过软体升级即可，装置可以永远使用。然而现实中，客户往往希望其高端手机能够持续更长时间。

这些手机的设计允许使用更长时间，透过增加更多产品价值及延长产品寿命，厂商採用更高效的电源系统与更快速的充电效能。由于减少以热量形式而散失的能量，对碳排放量的影响也会降低，同时会延长电池寿命并提高可靠性。另外，当考虑到移动装置的大量销售时，这些几毫瓦的能量加起来就是巨大的能量。

．充电技术智慧化大幅延长电池寿命

使用者抱怨的一个主要方面便是电池寿命与产品的可用寿命不匹配。使用者换新手机的频率约为18个月一次，而电池寿命必须与这一趋势匹配。对于研製出寿命为5年，能够更新适应未来产品的电池厂商而言，将会获得很高的消费者忠诚度，因而享有很大优势。电池寿命不仅仅是指电池容量或是电池可放电/充电的迴圈次数，而充电技术的智慧化及充电方法的进步延长了电池寿命。

上述内容已介绍电池充电器在增加产品价值方面的作用，本文剩馀部分将重点介绍为移动电子装置厂商提供快旅行充电器竞争优势的解决方案。

快速充电须尽快活化电池

电池充电是指对特定电源进行负载管理。作为负载，电池需要合适的电压与充电电流，而电源则决定用于建立适用的电压及电流的功率转换方式。

快速充电要求以尽快活化电池的方式来最佳化使用充电电源。锂离子电池是如今电子装置选择使用的技术。锂离子电池以 定电流充电至特定电压，然后透过智慧电压调节延长电池寿命。除了基本的充电要求，锂离子充电器还包含了安全特性，因此，在充电器控制器中整合了特定的功能。

电源可以是市电的交流电源，也可以是车载充电器或电脑的直流电源。每种电源都符合特定的规范，这些规范提供用于创建充电解决方案的设计参数。电源提供的功率由功率调节电路调节，再透过USB连接器传输。透过USB连接器由交流电源传输的功率大多由开放标准USB电池充电规范修订版1.2(BC 1.2)的规范确定。直流电源大多使用USB On-the-Go(OTG)，这是对USB 2.0规范的补充。

USB连接器透过两个端子(D+与D-)提供直流电压(Vbus与GND)及协定讯号。不管何种电源，都是根据规范中的资讯来决定充电器可用的电源及智慧化。这些规范，结合电池电压与电流的负载管理，影响充电器设计及充电演算法；这些因素决定电池从完全放电状态开始充电的速度。对于电池容量或负载，智慧型手机电池容量范围从大约2Ah∼4Ah，而平板电脑电池容量从6Ah∼12Ah。

快速充电器的基本功能是将USB电源转换为可用的充电电流及电压。该电路包含在移动装置内部，因此在所用空间内必须尽量少产生热量，且同时具有高效率；与此类似，快速旅行充电器必须以安全高效的方式提供尽可能多的能量。透过线性或开关模式功率转换可以满足这些要求的功率处理，其中，开关电源(SMPS)产生热量最少、效率最高。

SMPS是暂时存储能量然后以平均速率传输能量的能量传输装置，该速率由启动一系列开关的控制器确定。它还採用桥式整流器，将交流输入转化为直流输出。主要记忆元件是电感器及电容器。功率元件的安排则称之为拓扑，拓扑结构可以是升压型，也可以是降压型。快速充电器中使用的主要拓扑及其功能如表1所示。

所选的拓扑提供电压调节方法及标准元件布局。能量记忆元件(电感器及电容器)的大小与开关频率有关，频率越高，存储的能量越少，换言之，电感器及电容器也会越小。较快的频率允许使用更好的电容器技术，比如多层陶瓷电容器(MLCC)，比其他电解质电容器更加可靠。输入电压纹波电流规范也会影响电感器及电容器的尺寸；而电感器磁性材料、半导体限制与寄生效应都会影响最大开关速度。

一旦选择最佳开关频率，便选定了电感器及电容器。由于尺寸限制的进步，能够提高产品价值，电容器正从现成产品过渡为基于终端应用的客製化设计。根据电容值选择电容器，同时考虑等效串联电阻(ESR)及其对纹波电压及效率的影响。电容器技术控制尺寸及可靠性，而电容器的高度及直径对于整个充电器的尺寸至关重要，因此须选择设计最佳化。

然而，电感器是磁芯及绕组的组合，磁芯决定电感器的绕组与物理佈局，电感器面积随磁芯与绕组的物理限制而变化，因此可以根据具体应用客製化设计。而电感器容量是由需要存储的能量及频率确定，其在气隙中存储能量，并同时使用磁芯「控制」磁通量，包括容量。 传导/开关损失须平衡

功率转换效率如图1所示。大多数功耗是基于两个主要的损失，即传导损失与开关损失。这两个损失之间有一个平衡，确定解决方案尺寸及散热。

图1 通用线路输入5V2A返驰式转换器之效率、功耗与耗损总结

传导损失有利于最大程度地减少开关及整流器中的电阻。MOSFET电阻与元件的横截面成反比，因此，较大元件电阻较小。整流器二极体具有特徵性的正向压降，当二极体压降与传导的电流组合太大时，二极体通常会被同步整流器的MOSFET电晶体代替。对于整流器及开关而言，存在尺寸与传导损失关系的最佳化；另外，由于同步整流开关要求透过控制电路启动，因此智慧化也能增加其价值。

开关损失是由于同时存在电压与电流而引起的。当功率转换器中的元件关断时，它会停止传导电流并开始阻断电压。同时存在电压与电流，相乘得到暂态功耗。与此类似，当元件导通时就存在电压与电流，然后，这些损失随时间(开关频率的倒数)平均化，确定整体开关损失。

谐振技术透过以零电流或电压值，或有时候同时为零电流/零电压进行开关尝试「软开关」。透过有效使用电路中的寄生电感与电容实现这一点，而控制器控制过渡时间，以便与寄生元件的谐振频率一致。软开关在寄生元件中产生较少的震盪；因此，软开关技术产生较少的电磁干扰(EMI)，更容易满足FCC及其他标准。

其他造成损失的因素还包括电感器中的绕组及磁芯损失。绕组损失主要是基于传导产生，儘管基于开关或仅基于交流的损失随频率增加开始占据主导地位。至于磁芯损失也随著开关频率增加而增加。

由于技术进步，能够以更具成本效益的方式进行效率与尺寸最佳化。儘管已经通过设计最小化了尺寸，功耗仍存在且在移动装置内造成散热，因此，在最佳化过程中必须考虑该热量。元件必须能够合理散热，以维持有利的温度，确保可靠性。元件尺寸控制效率，进而决定功耗，以及基于元件尺寸耗散的热量；散热与尺寸之间的权衡是追求提升产品价值的另一个最佳化过程。

控制器功能整合度愈来愈高

控制器位居于整个电源电路中心，可提供正确的开关脉衝，实现调节及高效运行。控制器还确保功率转换器稳定运行，并确保满足电池的电压与电流充电需求。透过更有效的电池充电及热量管理提升产品价值，控制器获得越来越多的功能。除了功能性，还需要透过D+及D-端子实现通讯功能。

通讯功能对于识别USB电源非常重要，确保控制器能够最好地利用可用电源并提供最佳充电效能。检测电路还用于向控制器传送资讯。可透过各种方法检测充电电流，其中，最有利的方法是将功率元件整合到控制器中。快速充电控制器的功能性已进步到需要非常少外部元件的程度，这对于简化充电器设计同时节省空间及增加额外价值非常有帮助。

在解释功率级的过程中，可以很清楚了解实现最优的快速充电并非是微不足道的工作。相反，最高效的充电器是整合各种功能的高度智慧化控制器。此外，控制器结合极少的外部元件，有助于实现时髦的小尺寸设计，提升产品价值，特别是在电池寿命部分，更符合消费者所追求的价值目标。

介绍充电元件的基本原理后，接下来本文将重点介绍快速充电系统中的各种功能模组。图2列出用于可携式电子装置(如智慧型手机)旅行充电器由市电电源到电池的生态系统。

图2 充电器由市电到电池的生态系统

图中显示电力电子在快速充电器中有著何种重要作用。对于旅行充电器，返驰式转换器用来产生来自交流线路的 USB电压。该模组要求隔离、熔断、整流及额外的初级侧与次级侧控制功能来产生经过调节的USB电压。隔离是由产品销售地区决定的各种规范控制，比如在美国由UL认证控制，在中国由CCC法规控制。

而半导体厂商，如快捷，已开发出用于快速旅行充电器应用的解决方案，这些解决方案令系统大小与效率最佳化，同时增加生产更高级产品时的智慧化功能；这些解决方案以一种独特的方式综合起来，提供各种功能及效能。

例如FAN6100Q元件为一款高度整合的次级侧电源转换器控制器，符合Quick Charge 2.0规范。该元件专为需要恒压(CV)及恒流(CC)调节的应用而设计。控制器由透过可调电压参考进行电压与电流回路调节的两个操作演算法组成。恒流控制回路还包括增益为10的电流检测放大器。恒压与恒流放大器输出以开汲极(Open Drain)配置绑定在一起。

在结合初级侧PWM控制器使用时，比如FAN501A元件，可以实现电池充电器，以支援5V/9V/12V范围内的适应性(Adpative)调整输出电流与输出电压。若检测到支援快速充电2.0规范的装置，FAN6100Q元件支援对电源转接器进行输出电压调节。如果检测到不相容的装置，控制器则停用适应性调整输出电压，以确保仅支援5V输出电压的系统能够安全运行。FAN6100Q支援Qualcomm协定的Quick Charge 2.0规范。

调节型电路对于快速充电器也有非常重要的价值。检测及介面电路与充电器的USB规范通讯，以确保能够根据电源类型最佳化充电。隔离开关及浪涌保护器能够帮助管理负载并确保安全。低压降线性调节器(LDO)管理较小的「维生」功能并快速启动「暂态接通」，唤醒装置。

提高智慧化/缩小尺寸业界致力增加充电器移动性

行动类产品价值随智慧化与功能的增加以及整体尺寸的减小而提升。随著移动性变成越来越重要的因素，这些要求还预计会出现在快速充电旅行充电器解决方案中。设计高效并符合安全标准的快速旅行充电器需要最佳化解决方案，以提供所需的效能并满足尺寸的局限性。快速旅行充电器控制器相结合，允许设计者採用提供消费者所追求价值的最新技术。