雙端口充電器參考設(shè)計(jì)方案：平板與智能手機(jī)高效快充技術(shù)解析

在移動(dòng)設(shè)備普及的今天，平板與智能手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ畹暮诵墓ぞ摺ｋS著設(shè)備性能的提升和電池容量的增加，用戶對(duì)充電效率、兼容性和安全性的需求日益增長(zhǎng)。雙端口充電器作為解決多設(shè)備充電需求的解決方案，其設(shè)計(jì)需兼顧高功率密度、協(xié)議兼容性和安全保護(hù)機(jī)制。本文基于行業(yè)前沿技術(shù)，結(jié)合典型元器件選型與電路架構(gòu)，提出一套適用于平板與智能手機(jī)的雙端口快充參考設(shè)計(jì)方案，涵蓋核心元器件選型、電路拓?fù)洹f(xié)議控制及安全設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

一、設(shè)計(jì)需求與性能指標(biāo)

1.1 核心需求分析

• 多設(shè)備兼容性：需支持主流快充協(xié)議（如USB PD、QC、FCP、SCP等），適配不同品牌平板與手機(jī)。

• 功率分配策略：?jiǎn)慰诔潆姇r(shí)需提供最大功率（如65W），雙口同時(shí)充電時(shí)需動(dòng)態(tài)分配功率（如45W+45W或65W+20W）。

• 安全與效率：需具備過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)及高能效（滿載效率＞93%）。

• 小型化設(shè)計(jì)：需適配墻插式充電器，體積控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.2 性能指標(biāo)

• 輸入范圍：85VAC-265VAC（全球通用電壓）。

• 輸出規(guī)格：

• 單口：5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A（65W）。

• 雙口：每口最大45W，總功率90W。

• 能效要求：滿載效率＞93%，空載功耗＜100mW。

• 協(xié)議支持：USB PD 3.0/PPS、QC 4+/4/3.0、FCP、SCP、AFC、Apple 2.4A等。

二、核心元器件選型與功能解析

2.1 主控芯片：InnoSwitch5-Pro

型號(hào)：InnoSwitch5-Pro（PI公司）
功能：集成750V PowiGaN?開(kāi)關(guān)、同步整流控制器和FluxLink?反饋技術(shù)。
選型理由：

• 高頻高效：支持225kHz開(kāi)關(guān)頻率，減少變壓器體積。

• 低損耗：氮化鎵（GaN）技術(shù)降低導(dǎo)通電阻（0.2Ω），提升能效。

• 安全保護(hù)：內(nèi)置滯回式熱關(guān)斷、輸出短路保護(hù)及輸入欠壓/過(guò)壓檢測(cè)。

• 協(xié)議兼容：通過(guò)I2C接口與PD控制芯片通信，實(shí)現(xiàn)CV/CC/CP精確控制。

典型應(yīng)用：
在OPPO 100W雙口充電器中，兩顆InnoSwitch5-Pro芯片分別驅(qū)動(dòng)兩路反激式電源，每路輸出45W，實(shí)現(xiàn)雙口獨(dú)立快充。

2.2 PD控制芯片：IP2738

型號(hào)：IP2738（英集芯科技）
功能：雙路協(xié)議控制芯片，支持PD 3.0/PPS、QC 4+/4等協(xié)議。
選型理由：

• 動(dòng)態(tài)功率分配：通過(guò)I2C接口與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)電流共享管理。

• 多協(xié)議支持：兼容主流快充協(xié)議，適配不同品牌設(shè)備。

• 保護(hù)機(jī)制：內(nèi)置過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)，確保充電安全。

典型應(yīng)用：
在90W雙口USB PD 3.0充電器中，IP2738通過(guò)“或”門(mén)電路防止反向電流，確保雙口獨(dú)立工作。

2.3 同步整流芯片：DK5V100R05M

型號(hào)：DK5V100R05M（東科）
功能：集成100V功率NMOS管，替代肖特基二極管。
選型理由：

• 低損耗：導(dǎo)通電阻小，降低整流損耗，提升整機(jī)效率。

• 高集成度：僅需A、K兩引腳，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

• 高可靠性：通過(guò)UL認(rèn)證，適用于工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

典型應(yīng)用：
在京東京造18W PD快充中，DK5V100R05M被用于次級(jí)整流，提升能效并減少發(fā)熱。

2.4 升降壓控制器：SC8701

型號(hào)：SC8701（南芯科技）
功能：同步4開(kāi)關(guān)降壓升壓控制器，支持2.7V-36V輸入/輸出范圍。
選型理由：

• 寬電壓范圍：適配不同輸入電壓（如12V/20V適配器）。

• 高效率：驅(qū)動(dòng)器電壓10V，優(yōu)化外部MOSFET效率。

• 多協(xié)議支持：與PD控制芯片配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整。

典型應(yīng)用：
在100W雙口超級(jí)閃充中，SC8701被用于輸出同步整流升降壓，確保多設(shè)備兼容性。

2.5 氮化鎵功率器件：INN650D02

型號(hào)：INN650D02（英諾賽科）
功能：650V耐壓氮化鎵功率芯片，導(dǎo)阻0.2Ω。
選型理由：

• 高頻特性：支持225kHz開(kāi)關(guān)頻率，減少變壓器體積。

• 低損耗：導(dǎo)通電阻小，提升能效并降低發(fā)熱。

• 高可靠性：支持ESD保護(hù)，適用于工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

典型應(yīng)用：
在100W雙口超級(jí)閃充中，INN650D02被用于PFC升壓電路，提升能效并減少待機(jī)功耗。

三、電路架構(gòu)與工作原理

3.1 輸入整流與EMI濾波

• 橋式整流器：將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電（如TBMR810，8A/1000V）。

• π型濾波器：由電感和電容組成，抑制差模噪聲。

• 共模扼流圈：減少共模噪聲，提升EMC性能。

• X電容：安全級(jí)X電容（如松田電子產(chǎn)品），降低傳導(dǎo)發(fā)射。

3.2 PFC升壓電路

• PFC控制器：如OB6566（昂寶），運(yùn)行在臨界模式，提升功率因數(shù)。

• 升壓電感：采用RM8磁芯，嚴(yán)密纏繞膠帶絕緣。

• 高壓濾波電容：如艾華RK系列（33μF/400V），確保穩(wěn)定輸出。

3.3 反激式電源電路

• 主控芯片：如InnoSwitch5-Pro，集成高壓GaN開(kāi)關(guān)和同步整流控制器。

• 變壓器：多層絕緣線繞制，外部有塑料框架保護(hù)。

• 同步整流MOSFET：如英飛凌0805LS（7mΩ），降低導(dǎo)通損耗。

3.4 輸出濾波與協(xié)議控制

• 固態(tài)電容：如柏瑞凱VA系列（470μF/25V），提升輸出紋波性能。

• 協(xié)議芯片：如IP2738，通過(guò)I2C接口與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配。

• VBUS控制開(kāi)關(guān)管：如平偉電子D40N30HL，控制輸出電壓和電流。

四、安全與保護(hù)機(jī)制

4.1 過(guò)壓保護(hù)（OVP）

• 齊納二極管：在輸出過(guò)壓時(shí)觸發(fā)自動(dòng)重啟，防止電壓進(jìn)一步升高。

• 限流電阻：與齊納二極管配合，限制過(guò)壓電流。

4.2 過(guò)流保護(hù)（OCP）

• 電流檢測(cè)電阻：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

• 協(xié)議芯片控制：如IP2738，通過(guò)I2C接口與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)精確限流。

4.3 短路保護(hù)（SCP）

• 快速響應(yīng)電路：在輸出短路時(shí)立即切斷電源，防止設(shè)備損壞。

• 自動(dòng)重啟功能：短路解除后自動(dòng)恢復(fù)輸出，提升用戶體驗(yàn)。

4.4 過(guò)溫保護(hù)（OTP）

• NTC熱敏電阻：監(jiān)測(cè)充電器溫度，觸發(fā)熱關(guān)斷保護(hù)。

• 滯回式控制：避免溫度波動(dòng)導(dǎo)致的頻繁開(kāi)關(guān)。

五、典型應(yīng)用案例與性能測(cè)試

5.1 90W雙口USB PD 3.0充電器

• 設(shè)計(jì)特點(diǎn)：?jiǎn)慰?0W，雙口45W+45W，效率＞93.5%。

• 測(cè)試數(shù)據(jù)：

• 輸入電壓115VAC時(shí)，滿載效率93.8%。

• 空載功耗95mW，符合DOE 6和CoC Tier 2能效要求。

• 輸出電壓紋波＜100mV，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 100W雙口超級(jí)閃充

• 設(shè)計(jì)特點(diǎn)：?jiǎn)慰?5W，雙口45W+50W，支持PD 3.0/PPS。

• 測(cè)試數(shù)據(jù)：

• 溫度控制：滿載時(shí)外殼溫度＜65℃。

• 協(xié)議兼容性：通過(guò)主流設(shè)備兼容性測(cè)試。

• 效率曲線：不同負(fù)載條件下效率＞92%。

六、設(shè)計(jì)優(yōu)化與未來(lái)趨勢(shì)

6.1 優(yōu)化方向

• 小型化設(shè)計(jì)：采用高頻GaN技術(shù)，減少變壓器體積。

• 高集成度：集成降壓控制器和協(xié)議芯片，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

• 智能功率分配：根據(jù)設(shè)備需求動(dòng)態(tài)調(diào)整功率，提升充電效率。

6.2 未來(lái)趨勢(shì)

• USB PD 3.1：支持更高功率（如240W），適配筆記本電腦等設(shè)備。

• 無(wú)線充電集成：雙口充電器與無(wú)線充電模塊結(jié)合，提升用戶體驗(yàn)。

• AI控制：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化功率分配，提升能效和安全性。

七、結(jié)論

本文提出的雙端口充電器參考設(shè)計(jì)方案，結(jié)合InnoSwitch5-Pro、IP2738、DK5V100R05M等核心元器件，實(shí)現(xiàn)了高功率密度、多協(xié)議兼容性和安全保護(hù)機(jī)制。通過(guò)實(shí)際案例測(cè)試，驗(yàn)證了其在效率、兼容性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，隨著GaN技術(shù)和USB PD 3.1的普及，雙端口充電器將進(jìn)一步向小型化、智能化方向發(fā)展，滿足用戶對(duì)高效快充的需求。