Dialog引领电源技术创新揭示完备快充与无线充电方案
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随着各类移动与物联网装置的普及运用,如何在兼顾效率、安全、成本与体积等设计考量下,实现快速充电并保持长久的电池续航力,已成为业者的重要挑战。
在全球移动设备快充市场居领导地位的Dialog Semiconductor,日前在台北盛大举行「引领充电,掌握商机」充电技术研讨会,揭示了独特的wall-to-battery快充方案、WattUp射频无线充电、以及全新的GaN氮化镓产品,充分展现其创新技术,并能以最先进技术满足下一代装置不断上升的充电需求。
DialogCEO Jalal Bagherli在开场致词时指出,Dialog是智能手机电源管理IC的领导者,特别是在快充转接器(Adapter)市场拥有近七成市占率,稳居第一。公司2016年营收已达12亿美元。
此外,Dialog非常重视台湾与大中华市场,目前在台员工已超过100人,布局广泛,拥有许多合作夥伴与客户,有超过9成的产品是在台湾生产制造。秉持着充电、电源管理、以及蓝牙低功率连接技术等三大策略核心业务,Dialog将持续推动创新技术,以提供完备的电源解决方案。
全新的RF无线充电技术
针对无线充电技术,Dialog企业战略资深总监Mark Hopgood表示,充电已从传统的插电式电源转接器,进展到目前以线圈为基础的感应或共振式无线充电,未来更将进一步迈向以射频(RF)为基础的非耦合式(uncoupled)无线充电,可实现一面使用电子装置、一面充电的全新体验,他将此全新形式为「无线充电2.0」时代的开展。
此全新的RF无线充电技术称为WattUp,是由美国一家成立三年的新创业者Energous所开发。看好它的应用潜力,Dialog已于2016年11月宣布投资Energous并展开策略合作,Dialog将成为WattUp无线充电IC的全球独家供应商。
同时,Dialog还能将其领先的蓝牙低功耗、电源管理、AC/DC电源转换芯片与Energous方案彼此互补,打造出具成本效益、扩充性高的完整解决方案,以锁定IoT、穿戴装置、助听器、耳机、智能手机、汽车等各种产品。
Hopgood指出,WattUp技术的最大突破点在于,它是采用射频无线电技术,透过接收发射端的无线电波,再将其转换为电源,因此可免除传统耗费空间的线圈设计。再加上天线设计的弹性与体积小优点,能够为包括助听器或IoT传感器这类精巧装置提供无线充电功能,而且享有更佳的放置自由度,任何角度都能轻松进行充电。
WattUp技术可提供近场(near field)、中场(mid field)、以及远场(far field)三种不同版本,其充电距离分别为接触式、相隔90厘米、以及450厘米。此外,依据距离的远近,可提供不同的功率弹性,分别为数瓦、数百mW、以及数十mW。
所以,在实际应用上,若要为智能手机充饱电,则须采用近场的接触式无线充电。至于中场应用,可将发射器内建于PC中,以同时为键盘、鼠标等周边装置进行充电。由于功率仅为数百mW,这时能以滴流模式(Trickle mode)对智能手机充电,以维持手机电池的电力。远场应用,则可为线上离的各种传感器进行充电。
与现行的共振式(A4WP标准)、以及感应式(Qi标准)无线充电相比,这三种技术在成本、扩充性、功率、效率、尺寸、距离等方面各有强项,因此Hopgood表示,它们的应用需求并不相同,将共存于市场。但是WattUP技术的特性,使其成为低功耗穿戴式与IoT装置的理想选择。
Hopgood强调,WattUP近场无线充电技术是美国FCC第一个核准的RF无线充电解决方案,它是在ISM频段的5.8GHz附近运作,不会与既有的Wi-Fi或其他无线通讯技术干扰,而且安全无虞。中场与远场方案预计将陆续于2017年第3季与2018年正式推出。
目前,Dialog已推出近场的发射器DA4100与接收器DA2200/2210芯片,并已结合其蓝牙低功耗芯片建构出从交流电源到电池的端到端无线充电解决方案。此外,输出功率为1W的评估套件现已送样,相关芯片组已可进入量产。
AC/DC快充设计实现极致效能
在手机快充转接器方面,Dialog系统与应用部门资深总监Yong Li表示,手机转接器已从功能型手机的3?5W规格逐渐演进,先是进展到采用USB Type-A接口的7.5?10W转接器,一直到2?3年前,市场上才出现15W以上、甚至25W的USB Type-A快速转接器,这也已成为高端智能手机的重要功能指标。
随着需求的逐渐升高,近来转接器的最新趋势包括USB Type-C接口、USB-PD、直接充电(Direct Charge)以及高功率密度等新议题。
目前的主要的快充技术有两种:第一是传统的高电压、低电流方式。第二种是直接充电,但又分为低电压/高电流,以及高电压/中电流,再搭配移动设备中的分压器(voltage divider)两种型态。此外,各家手机业者都有其专属的协定来实现直充功能。
Yong Li指出,传统的高压/低电流直充方式,须随着功率升高对手机内部的切换充电器(switching charger)进行最佳化设计,否则会有过热的问题,这也是业者目前最关心的问题。
而低电压/高电流的直充方式,则是免除了手机内部的切换充电器,直接对电池充电。虽然可借此解决手机过热的问题,但是由于电流较高,因此需要特殊的电缆与接头,会使成本增加。而且,手机内部需要更精确的电压与电流控制设计,才能提供适切的保护。
Dialog的直充设计则是采用高电压/中电流的概念,并利用新推出的DA9318分压器,将转接器的输出电流降低一半,因而解决了电缆/接头需特殊设计的成本问题,并减少手机发热。
他强调,Dialog拥有丰富的手机充电开发经验,Dialog的RapidCharge解决方案在AC/AD电源转换器中透过结合初级侧(Primary side)的电源管理控制器以及次级侧(Secondary side)的界面控制器,能够支持任何一种的电压与电流,并协助业者解决效率、散热、动态负载响应、安全性、以及成本等所有的重要挑战。
在USB PD充电解决方案方面,Dialog已推出由iW1781初级侧控制器、iW676同步整流器、以及iW656最佳化USB-PD界面IC组成的三IC设计。此电源转换系统架构采取返驰式拓朴设计,利用数码通讯方式来连接次级侧至初级侧,可减少二次损耗。
其中,iW656是Dialog最新发表的最佳化USB-PD界面IC,符合USB Type-C 1.2版标准,可放在转接器中作为次级侧控制器,支持3?20V的宽广操作范围,尺寸精巧,采12接脚、TDFN 3x3mm封装形式。
iW676则是专为USB PD及快充进行最佳化设计的同步整流控制器。待机功耗小于20mW,支持12~3V工作电压,内建数码适配关闭(turn-off)控制,可最小化死区时间(deadtime),不仅功耗降低,并可免除外部的萧特基二极管,进一步降低成本清单。
此外,在系统的安全性与保护方面,Dialog已针对转接器、装置、电池都提供了全方位的保护设计。未来,此架构还将支持USB PD 3.0的PPS(可编程电源供应)功能。Dialog目前正在开发支持PPS规格的新一代次级侧USB PD控制器,结合初级侧控制器,将能提供完整的USB PD 3.0解决方案。
GaN氮化镓与高功率密度解决方案
随着电源功率的上升,若仍要维持精巧的转接器设计,势必得朝高功率密度设计移转。要实现高功率密度必须满足效率、散热、EMI与尺寸等各项条件,而解决之道在于如何提升切换元件的频率与拓朴设计。
Yong Li 表示,Dialog看好氮化镓材料具备的宽能隙与电子迁移率高等特性,是快速电源切换器的理想选择。因此,已采用台积电GaN-on-Si制程,首度进军GaN市场,推出全新SmartGaN系列产品,将驱动器、逻辑、电平转换(level shifting)与保护功能整合在一起,DA 8801半桥式单芯片便是此系列的首款产品。
DA 8801是全球第一款GaN电源IC,可支持650V电源开关,电源效率达94%,可提供电源损失降低50%、体积缩小50%、以及较低的外部成本等优点,适用于太阳能逆变器、汽车、功率因素校正(PFC)等应用。
目前,Dialog正在开发以GaN技术为基础的高功率密度AC/DC电源转换器,采用零电压切换(ZVS)的主动箝位驰返式拓朴,转换效率高于92%,输出电压为5?20V,可支持25?65W的电源切换器,并兼容于USB PD与USB Type-C接口。
最后,他强调,Dialog将以更低的BOM成本、更高功率密度、以及支持所有的快充协定等三大方向,持续开发更具优异效能的电源芯片,以满足市场的多样化需求。
手机端的DC/DC高电压充电方案
介绍了电源转接器的设计,Dialog台湾区总经理Ralf Kilguss则聚焦于介绍手机端的高电压充电器解决方案。他指出,温度、成本与安全性是目前智能手机快充应用主要有三个挑战。为了解决这些问题,在手机端,Dialog提出了两种设计方式:高压直充以及主从式(Master+Slave)充电。
在高压直充方面,Dialog新推出的DA9318芯片可达到98%的优异效率,以将功耗及散热降至最低,并让体积精简的消费性应用更加安全。重要的是,此芯片可支持以标准的3A USB电缆提供6A充电电流,能让功率增加1倍,且快充应用成本大幅减少35%。此外,藉由提高的效率和18项以上的整合型安全特性,能降低散热,实现更安全的消费性应用。
根据实际测试的结果,采用DA9318方案,因为效率杰出,即使在8A/34W的条件下,手机温度仍低于摄氏50度。而竞争对手的BQ25896方案,在电流达3A时,温度就已上升至76度,更是完全无法支持6A以上的电流。
在主从式充电方面,Dialog则是已推出DA9155M芯片,主要用来与主充电器(main charger)搭配运用,作为高电压辅助充电器IC(Slave charger)。它可接受4.3?13.2V的输入电压,提供2.5A输出电流,电流调节精度为±5%。
Kilguss表示,DA9155M不是用来取代主充电器,透过I2C由应用处理器控制,能搭配任何一款主充电器,而且尺寸仅有2.6x2.2mm。
DA9155M的转换效率为93%,这个辅助充电器的设计,能让来自电源的充电电流在主充电器和DA9155M之间传输。而且经测试,在2.5A电流条件下,芯片温度为44度,不会有过热问题,可向电池注入更多电能而不会使其烧毁。此外,DA9155M还具备可选择的开关频率、输入和输出故障检测、安全定时器和结温监测等特性。
最后,Kilguss总结说,Dialog可提供端到端的快充解决方案,并支持标准的3A USB电缆,可显着降低成本,再加上具备业界领先的安全保护,可解决手机过热问题,进一步带动快充的广泛应用。关于Dialog快充以及无线充电方案详细,欢迎造访Dialog官网。(本文由李佳玲整理报导)