移动充电器革命：实现最小尺寸和最佳功率

您使用便携式设备时遇到的最大麻烦是什么？ 市场调查表面：电池循环时间（即两次充电之间的时间长度）是便携式设备用户最希望改进的方面。但是，用户的烦恼似乎无法轻易减轻，因为便携式设备制造过程 所涉及的部分关键设计因素（例如更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更强大的移动处理器）只会加快电池的耗尽速度，加重电池循环时间的缺陷。最近，市场上已推出屏幕尺寸为4.3英寸和4.7英寸、屏幕分辨率为720p的便携式设备，部分屏幕尺寸甚至达到5英寸。与早期尺寸较小且分辨率较低的屏幕相比，这些显示器需要更多电量才能使LCD屏幕维持令人满意的亮度级别。下表显示了近几年屏幕分辨率的发展。

智能手机的屏幕分辨率

DisplaySearch公司进行的另一项调查也表明：移动设备的屏幕分辨率持续提高。图1显示了2010年像素密度在200 ppi以上的移动设备的份额仅为22%。到2015年，此份额将上升至 50%，2018年将进一步达到55%。

图1：市场份额（按屏幕像素密度）

我们可以看到移动处理器也遇到了同样的问题。在很短的时间内，处理器已从单核架构过渡到四核架构。虽然当今的CPU采用高级处理技术，但功耗仍持续 增加。当然，LCD屏幕和处理器并不是导致功耗增加的唯一因素。如果考虑所有可能因素，则在追逐"Mobile Everywhere"（移动无处不在）的趋势下，便携式设备的电池容量需求将不可避免地升高。这似乎成了最终用户减轻电池循环时间烦恼的最简单方法。

增加电池容量看似容易，但会导致许多问题，充电器的最佳额定功率便是有待解决的因素之一。长久以来，USB充电器标准促使制造商将5 V/1 A功率格式广泛应用于智能手机充电器。由于电池容量的趋势是从当前的1800 mAh增加到3500 mAh，未来可能更高，因此5 V/1 A充电器明显不足。使用目前的5 V/1 A格式充电器为较大的电池充电时，等待过程会使用户抓狂。另外，在拼命延长电池循环时间的同时会产生另一个问题：散热。制造商面临的巨大设计挑战是大功率 充电器的高温问题。用1 A的电流给2000 mAh以上的电池充电将产生高温，因为充电器保持全负载时间更长，长期产生的热量将使充电器外壳的温度升高。考虑到以上问题，充电器行业如何才能打破更大 电池容量的瓶颈呢？

要在合理的时间内将容量更大的电池充满电，制造商可采用的最简单方法就是增加充电器的额定功率。根据 USB标准的5 V输出，部分制造商选择将工作电流从1 A增加到2 A或3 A 以缩短充电时间；其他制造商则选择增加工作电压以提高效率。虽然业界看似没有统一的标准，但至少目前仍有一些适用的基本准则。为了省电，业界对便携充电器 设计始终具有一些基本的"必需"要求，例如高度紧凑的充电器尺寸（假如是设计用于移动设备）和较低的待机功耗。最为重要的是，任何新的、更强大的充电器必 须兼顾安全性和功能。如果满足了所有这些要求，我们相信最终用户乐于见到安全高效的充电器，也就是能够提供充足充电能力且额定功率超出当前USB充电器标 准的充电器。

充分发挥微型充电器的充电能力并不是件容易的事，但在累积了多年的充电器解决方案开发经验之后，业界已经有一些方向可以遵循。

要保持高度紧凑的充电器尺寸，至关重要的环节是变压器选择。如果我们要顺应充电器尺寸不断缩小的趋势，则需要具有较高开关频率的PWM控制器。工作频率相 对较高（例如 85 kHz）的PWM控制器可让您选择尺寸较小的变压器（约为控制器工作频率为50kHz时所需的变压器尺寸的三分之一）。目前，工作频率为140 kHz的PWM控制器已经上市，制造商能够进一步缩小变压器的尺寸。下面的图2显示了用于5 W/50 kHz充电器的变压器（左边）与用于5 W/85 kHz充电器的变压器（右边）的尺寸对比。

图2：工作频率为50 kHz的变压器（左边）与工作频率为85 kHz（右边）的变压器的尺寸差别。

● 下一个设计考虑因素是效率。要充分发挥微型充电器的充电能力，效率显然是个关键问题，因为这直接影响发热量。AC-DC转换导致产生一定程度的功率损耗是 相当常见的情况，如果所有损耗均符合同一个比率，则增加额定功率甚至会产生更多热损耗。这意味着如果希望保持较小的充电器尺寸，同时希望将额定功率翻倍或 提高更多倍，您需要做的第一件事就是提高效率。要提高效率，您必须了解产生功率损耗的所有因素。最为重要的是，充电器尺寸和系统效率必须保持平衡。如果只 想缩小充电器的尺寸，并且选择了具有极高开关频率的PWM IC，开关损耗将大幅度增加，并为设计人员带来难题。如果提高了工作频率，您将会发现：如果不为