血雨腥风的USB快充江湖-电路图讲解-电子技术方案

随着智能手机的兴起，功能逐步强大，配备的电池容量也逐步增大。原来USB的充电能力不能满足现有的充电功率和充电时间的需求。

 

现在的智能手机以及其他USB设备，基本上都配备了快速充电技术。一般来说，对于USB充电功率超过10W（也就是5V 2A）才能称之为快速充电。

 

 

一开始手机电池都不大，这个时候USB接口默认的5V 0.5A就可以满足充电的需要；但是当智能机出现之后，由于对性能的大幅度渴求导致功耗上升，0.5A已经满足不了需要了；于是定义了一个增强的USB充电识别标准： BC 1.2。它将充电电流最大扩展到5V 1.5A。

 

 

但是到了2013年左右，出现了3000毫安时以上的智能手机，这个时候就算是5V 1.5A也不能满足需求了，于是再次扩展到5V 2A。

谁决定电流大小？

手机充电电流是手机来控制的，而不是充电器。也就是说手机就是大坝，充电器只是水库，手机会智能检测充电器的负载能力，充电器功率大质量好，手机就会允许充电器加载更高的电流；充电器设计输出电流过小，那么手机也会限制给自己充电的电流。

 

这就是为什么我们要选购大功率充电器的原因，例如一台手机最大支持5V 1.5A的输入，你买个5V 1A的充电器，就会导致手机只能以5V 1A来充电，不仅充电速度慢，而且因为充电器一直全负荷工作发热严重；反之你买个5V2A的充电头，手机会控制只输入1.5A的电流，充电器负载较低，有充足的余量。

 

iPhone 6/Plus分别最高支持5V 1.5A/2A的充电，但是苹果标配充电器只有5V 1A。对于1800多毫安电池的iPhone6来说其实无关紧要，但是对于接近3000毫安时电池的iPhone6 Plus来说简直要了亲命！

 

 

 

实际测试中，iPhone 6 Plus使用iPad充电器的峰值充电电流能到5V 1.9A，原因只有一个那就是节省成本。

 

iPhone6使用12W充电头进行充电电流实测电流（大于1A）

 

iPhone6Plus使用12W充电头进行充电电流实测电流（大约2A）

 

各种功率充电头给iPhoneX充电时间曲线：

 

 

其实5V 2A就是高通所谓的Quick Charge 1.0技术。当然实际上为了防止充电器满负荷，一般手机都是限制到了5V 1.8A左右的。安卓手机5V 2A的充电技术没有什么限制也没有识别协议。

 

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MOSFET因导通内阻低、开关速度快等优点被广泛应用于开关电源中。MOSFET的驱动常根据电源IC和MOSFET的参数选择合适的电路。下面一起探讨MOSFET用于开关电源的驱动电路。   在使用MOSFET设计开关电源时，大部分人都会考虑MOSFET的导通电阻、最大电压、最大电流。但很多时候也仅仅考虑了这些因素，这样的电路也许可以正常工作，但并不是一个好的设计方案。更细致的，MOSFET还应考虑本身寄生的参数。对一个确定的MOSFET，其驱动电路，驱动脚输出的峰值电流，上升速率等，都会影响MOSFET的开关性能。   当电源IC与MOS管选定之后，选择合适的驱动电路来连接电源IC与MOS管就显得尤其重要了。   一个好的MOSFET驱动电路有以下几点要求： （1）开关管开通瞬时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡。   （2）开关导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定且可靠导通。   （3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放，保证开关管能快速关断。   （4）驱动电路结构简单可靠、损耗小。   （5）根据情况施加隔离。   下面介绍几个模块电源中常用的MOSFET驱动电路。   1、电源IC直接驱动MOSFET   图1 IC直接驱动MOSFET   电源IC直接驱动是我们最常用的驱动方式，同时也是最简单的驱动方式，使用这种驱动方式，应该注意几个参数以及这些参数的影响。第一，查看一下电源IC手册，其最大驱动峰值电流，因为不同芯片，驱动能力很多时候是不一样的。第二，了解一下MOSFET的寄生电容，如图1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比较大，MOS管导通的需要的能量就比较大，如果电源IC没有比较大的驱动峰值电流，那么管子导通的速度就比较慢。如果驱动能力不足，上升沿可能出现高频振荡，即使把图 1中Rg减小，也不能解决问题！IC驱动能力、MOS寄生电容大小、MOS管开关速度等因素，都影响驱动电阻阻值的选择，所以Rg并不能无限减小。   2、电源IC驱动能力不足时 如果选择MOS管寄生电容比较大，电源IC内部的驱动能力又不足时，需要在驱动电路上增强驱动能力，常使用图腾柱电路增加电源IC驱动能力，其电路如图 2虚线框所示。

    

 图2图腾柱驱动MOS   这种驱动电路作用在于，提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。   3、驱动电路加速MOS管关断时间

    

 图3加速MOS关断   关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如图3所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源IC给烧掉。

    

 图4改进型加速MOS关断   在第二点介绍的图腾柱电路也有加快关断作用。当电源IC的驱动能力足够时，对图 2中电路改进可以加速MOS管关断时间，得到如图 4所示电路。用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻，当PNP三极管导通时，栅源极间电容短接，达到最短时间内把电荷放完，最大限度减小关断时的交叉损耗。与图3拓扑相比较，还有一个好处，就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC，提高了可靠性。   4、驱动电路加速MOS管关断时间 

    

 图5隔离驱动   为了满足如图 5所示高端MOS管的驱动，经常会采用变压器驱动，有时为了满足安全隔离也使用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡，C1的目的是隔开直流，通过交流，同时也能防止磁芯饱和。   除了以上驱动电路之外，还有很多其它形式的驱动电路。对于各种各样的驱动电路并没有一种驱动电路是最好的，只有结合具体应用，选择最合适的驱动。在设计电源时，有上述几个角度出发考虑如何设计MOS管的驱动电路，如果选用成品电源，不管是模块电源、普通开关电源、电源适配器等，这部分的工作一般都由电源设计厂家完成。   致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累，目前产品具有宽输入电压范围，隔离1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多个系列，封装形式多样，兼容国际标准的SIP、DIP等封装。同时致远电子为保证电源产品性能建设了行业内一流的测试实验室，配备最先进、齐全的测试设备，全系列隔离DC-DC电源通过完整的EMC测试，静电抗扰度高达4KV、浪涌抗扰度高达2KV，可应用于绝大部分复杂恶劣的工业现场，为用户提供稳定、可靠的电源隔离解决方案。

     

 除了以上驱动电路之外，还有很多其它形式的驱动电路。对于各种各样的驱动电路并没有一种驱动电路是最好的，只有结合具体应用，选择最合适的驱动。                                            

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