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大电流对器件设计带来的影响分析

2020/08/11
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USB Type-C和PD协议的应用给USB接口所带来的变化,最显著的就是传输功率的能力大大提高了,最高达到了100W,这是通过提高电压至20V、提高电流至5A来实现的,但如果离开了PD协议,Type-C接口能够容许的最大传输能力就是5V3A,即15W。看看现在市场上被普遍推崇的快充,动辄几十W的功率,再考虑到USB接口的普遍性,你就知道PD协议在这个市场上最终被广泛接纳是很容易理解的了,这估计是最初定义USB规格的人们当时也想不到的。再看看比USB PD这个概念先热起来的无线电力传输,到了今天仍在艰难推广,人们都把它能广泛使用的机会放在某些大牌厂商的使用上,但是看看它的指标其实就能理解它不被热捧的原因:最初的Qi标准低功率传输最大功率是5W,后来力推的中功率也就是十几W,再加上比较大的空间占用、比较低的效率,与现在主流的智能手机的需求显然是有一些矛盾的。实际上,对于移动设备来说,无线电力传输要解决的是充电的方便性问题,当USB Type-C接口已经大大方便了连接过程的时候,无线连接带来的方便性的好处便有所降低了,相关的应用者应当对其应用场景做出更多一些的思考。

谈论安全性的时候,我们会比较多地关注电压提高所带来的问题,因为它所带来的影响非常直接,所有不能承受高压的器件一旦接触到超过其耐受能力的电压,损伤损害的发生是一瞬间的事情(实际上也有个过程,而且很重要),这个问题我曾经谈过,关心的读者可在历史消息中寻找关于EOS问题的文章来阅读了解。与高压对应的另一个角度是大电流,它也会带来问题,但相对来说,其影响通常不是那么大。如果大电流所造成的影响能够马上被发现,这种问题通常在设计过程中就会被修正,而其他的一些问题常常要用一定的时间积累来呈现,因而就降低了问题的紧迫性。

电流形成的过程是电子在电场力的作用下在导体中的移动过程,这些电子并不能毫无阻碍地直线前进,它们只能在一个个紧紧相邻的原子之间跳动,每一颗原子都在尽力要将这些电子留住,这就形成了阻力,也就是我们说的电阻。电场力驱动电子克服阻力前进的过程需要做功,这些功又转化为热量,因而导体的温度会升高,当其温度比周边环境温度高的时候,热量就会向周边传递,这时候我们就说它发热了。我们都知道电流流过电阻所消耗的功率为P = R*I^2,所以电流越大,导体上的功率消耗也越大,发热量也越高,温升也越大。一般金属的电阻都会随着温度的升高而加大,所以电流加大所导致的发热量的增加是很厉害的,它会逐渐恶化,如果包覆导体的材料是塑料之类的,这些材料就很容易老化变硬,这样又更容易在使用中受损。

电流流过电缆所形成的电压降也是个问题,其值等于R*I。因为这个原因,当两台设备通过USB连接电缆连接起来的时候,供电端的电压和受电端的电压是不等的。以5V电源为例,它的电压精度指标可能是5V±5%,但在经过电缆以后,由于电压降的影响,实际的电压可能已经低了很多,有的设备所用器件的工作电压范围如果太窄,就不能正常工作了,所以USB的规范会规定必须的电压范围如5V±0.5V,这样就给电缆留下了250mV的压降空间,只要利用已经知道的最大通过电流,就能得到容许的最大电缆阻抗电缆线材的选择就有了依据。当然了,这样选择的时候还要为连接部分的接触电阻留下空间,这是我们在将问题进一步深入的时候需要考虑的。

大电流对器件的设计也会带来影响。我们采用小电流对锂离子电池进行充电的时候,一般都是采用线性充电器件,器件封装也可以比较小。

上图所示的是RT9527的典型应用电路图,它是一款充电电流设定范围为10mA~600mA的线性充电IC,可在4.4V~6V输入范围内工作,最高可以承受28V的电压冲击。由于它的预充电压阈值(电池电压在此电压以下时,它以预充电电流对电池进行充电)为2.8V,所以它的最大功耗为(6V – 2.8V) * 0.6A = 1.92W,因而它采用了最大功率耗散能力为2.19W的WDFN封装,下图是它的封装引脚定义图:

从中可以看到它的外围尺寸只有2mmX2mm,可以说是非常小的,很适合用在小型设备当中。从引脚图中可以看到它有一个TS端子,只要外接上合适的热敏电阻,就可以在电池温度过高或过低时暂时停止充电过程以确保安全。如果因充电电流过大而造成IC自身温度过高,充电电流也会自动降低以确保安全,下图就是这种自我保护机制中的电流与温度之间的关系图:

在这样的应用中,电流不算太大,所以,充电IC在测量电池电压的时候是直接在它的输出端子BAT端进行的,内部也不会对此电流所造成的路径压降进行补偿,因而芯片的设计就会比较简单,下图是它的内部电路框图,可供有兴趣者参考。

快速充电应用出现以后,线性电路架构基本上就没有应用的机会了,因为大电流所带来的影响将在很多方面体现出来。先来看一个数据,如果上面所述的电压参数都不变,我们直接将充电电流调整到3A,那么最坏情况下的电路功率消耗就变成 (6V – 2.8V) * 3A = 9.6W,这样的功耗将没有哪一个便携式设备可以承受,可供选用的器件封装也变成了难题,因而就必须将实现电压转换的电路架构改为开关模式,于是我们就有了类似下图这样的应用电路图:

此图截取自RT9466的规格书,电路还是非常简洁,但从外部电源输入端到转换器的输出端之间已经是Buck架构,它可以最大5A的电流对电池进行充电。该转换器的输出可以直接为系统供电,同时又在IC的内部增加了一个可控的开关,由它来决定电池要不要接入电路中以及要在何时接入,而这一切也都是可控的,IC内部有大量的寄存器可以用于类似这样的控制目的,系统控制器可以根据自己的需要通过I2C接口对所有的过程和参数进行操控,从而得到一个符合自己需要的电池管理系统。借助Buck架构的挹注,该器件的输入电压范围可在4V~14V之间变化,输入电流被Buck架构特有的电流放大能力自动放大,在降低了功耗的同时,也实现了充电过程的加速。

在大电流充电过程中,从BAT端到电池的路径上会存在电阻,而且在不同的设计中表现出不同的参数,这将在充电过程中造成恒流充电过程时间缩短、恒压充电过程时间延长并因而使快充的目的不能很好地实现。为了弥补这样的缺憾,RT9466内部含有IR补偿功能,用户只需将实际的线路阻抗参数R提供给它,它就能自动消除这一影响。纳入了IR补偿的充电曲线与常规的充电曲线是不一样的,下图是对它的形象化说明:

如果没有加入IR压降补偿功能,实际的充电过程曲线就会是这样的:

读者可以从上述两图中电压、电流曲线和充电时间的差异上来对此进行理解。

当采用线性充电电路的时候,充电电路的输入电流和输出电流之间是基本相等的,差异的部分是由IC的消耗造成的,这基本上可以忽略不计。改用以开关模式工作的电路以后,充电电路的输出电流和输入电流之间通常会有巨大的差异,如果一切都是理想的,我们对这些差异可以不予理睬,但现实都是有局限的,我们不得不对这些差异所带来的影响进行评估,这样就会引入一些全新的概念,如MIVR(最低输入电压调节)、AICR(平均输入电流调节)等,这都是为了系统的安全或是为了满足一些标准的限制而设定的。

以我的经验来看,大部分的电子工程师对电压的感觉会好于对电流的感觉,这可能与实际测量中比较容易看到电压信息有关。对电流没感觉,比较直观的表现是在PCB设计上出问题,我过去常常看到因此而不能正常工作的设计,指导修改的过程也会很费劲,有时候要做很形象的说明才能让人明白为什么要那么做,所以我希望人们能对电流的本质及其影响多一些思考,逐渐提高在此方面的认识。

转载自RichtekTechnology。

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