Qualcomm Quick Charge заряжает качественно и быстро

10 мая 2016

Qualcomm Quick Charge 3.0: качественно и быстро

Потребительские характеристики мобильных устройств во многом оп­ре­деляются фактором батарейного питания. Постановка задачи доста­точ­но очевидна: время, затрачиваемое на зарядку должно быть мини­маль­ным, а время последующей работы от батареи — максимальным. Именно два этих интервала неизменно становятся «главными героями» маркетинговых об­зо­ров. Реализация анонсированного QC3.0 четырех­кратного уменьшения времени заряда батарей не может определяться исключительно характе­рис­ти­ка­ми зарядного устройства. Многое за­ви­сит от свойств батареи, уровня ее износа и условий эксплуатации.

За громкими анонсами затерялось несколько неочевидных, тем не менее достаточно важных свойств зарядного устройства. Сконцентрируемся на деталях, обратившись к одному из первоисточников — документации на конт­рол­лер преобразователя напряжения iW1782, разработанный компанией Dialog Semiconductor.

Основные характеристики

Перечислим основные свойства контроллера iW1782.

  • Диапазон выходных напряжений от 3.6V до 12V с шагом 200 mV. Уровень срабатывания токовой защиты не фиксирован и может быть установлен разработчиком схемы, что позволяет оптимально выбирать точку компромисса с учетом требований электробезопасности и способности устройства выдать заданную мощность, в зависимости от специфики эксплуатации конкретного устройства.
  • Поддерживается обмен информацией между заряжаемым и заряжающим устройствами с целью определения режимов зарядки, поддерживаемых данной парой устройств и выбора оптимального режима. Использование для этих целей сигналов Data+, Data- шины USB внушает оптимизм относительно возможности поддержки унифицированных механизмов согласно Battery Charging Specification 1.2.
  • Стабилизация параметров регулятора при изменении входного напряжения и тока нагрузки, также как защита по напряжению и току, включая защиту от короткого замыкания на выходе, реализованы на основе цепи обратной связи с применением оптрона для развязки первичной и вторичной цепи.
  • Предусмотрено подключение защитного термодатчика (терморезистора).
  • Высокий уровень КПД и минимизация мощности, потребляемой в отсутствие нагрузки (десятки милливатт).
  • Оптимизация функционирования широтно-импульсного модулятора (PWM) для обеспечения квазирезонансного режима с минимизацией непроизводительного расхода энергии и, как следствие, минимизации нагрузки на коммутирующие элементы.
  • Автоматический учет фактора падения напряжения в соединительных кабелях.

В документе упоминается также минимизация уровня акустического шума, создаваемого регулятором на­пря­же­ния. Напомним, основным источником такого шума могут быть сердечники намоточных узлов: дросселей и тран­с­фор­маторов.

Рекомендации производителя

На рис.1 приведена таблица назначения выводов микросхемы iW1782, рис.2 демонстрирует одну из типовых схем включения.

Назначение выводов 8-контактного корпуса микросхемы контроллера зарядного устройства iW1782
Рис.1 Назначение выводов 8-контактного корпуса микросхемы контроллера зарядного устройства iW1782

Пример схемы зарядного устройства
Рис.2 Пример схемы зарядного устройства

Регулятор напряжения построен на основе контроллера iW1782 (U1). Формирователь сигналов iW673 (U3), га­ран­ти­ру­ет характеристики схемы управления коммутирующим транзистором (эмулятором выпрямителя) и ми­ни­ми­за­цию потерь энергии. Контроллер iW636 обеспечивает цифровую коммуникацию между заряжающим и за­ря­жа­е­мым устройствами с привлечением сигналов шины USB.

Рассмотрим схему

Переменное напряжение питающей сети (в типовом случае 220-230 вольт), через защитные резисторы и индук­тив­ный фильтр нижних частот, защищающий от ВЧ помех, попадает на двухполупериодный выпрямитель на основе диодного моста. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются электролитическим конденсатором.

За формирование импульсов в первичной обмотке трансформатора ответственны ключи на основе MOSFET тран­зисторов, управление которыми осуществляет регулятор iW1782. Сигнал с дополнительной обмотки раз­де­ли­тель­но­го трансформатора поступает на вход Vsense контроллера, обеспечивая обратную связь по первичной цепи (Primary Side Regulation).

Обратная связь по вторичной цепи (Secondary Side Regulation) определяющая зарядное напряжение и ток, ре­а­ли­зована на основе оптопары, светодиод которой включен во вторичную цепь, а фототранзистор формирует сигнал на входе DLINK контроллера.

Отметим, что вопреки сложившейся традиции, вторая цепь обратной связи реализована как цифровая и от­вет­ственность за управление электрическими характеристиками возложена на цифровой контроллер iW636, который, в свою очередь действует на основании «договоренностей» между заряжающим и заряжаемым ус­трой­ством.

Выпрямитель во вторичной цепи собран на транзисторе в качестве альтернативы диоду. Управление осуществляет формирователь iW673. Зачем так сложно? Падение напряжения на канале открытого MOSFET транзистора на по­ряд­ки ниже, чем падение напряжения на p-n переходе выпрямительного диода (второй параметр составляет де­ся­тые доли вольта). Минимизация потерь энергии обеспечивает повышение КПД.

Для сравнения, эта схема использует обычный диодный выпрямитель во вторичной цепи, потери энергии на котором будут более существенными, чем на эмулируемом диоде на основе MOSFET
Рис.3 Для сравнения, эта схема использует обычный диодный выпрямитель во вторичной цепи, потери энергии на котором будут более существенными, чем на эмулируемом диоде на основе MOSFET

Но есть у рассмотренного подхода и обратная сторона. При работе на холостом ходу или при малых токах, конт­рол­лер, управляющий эмуляцией диода, является дополнительным потребителем энергии.

Резюме

Согласно документации, поддержка классического протокола Battery Charging Specification 1.2, также как Qual­comm Quick Charge 2.0, реализуется в рамках обеспечения требований совместимости (Backward compatibility), в то время как основным является некий Vendor-Specific формат обмена сообщениями между заряжаемым и заря­жа­ю­щим устройством, также основанный на альтернативной функциональности сигнальных цепей USB. Все это по­зво­ля­ет осторожно предположить, что «идеология узаконенной аварийности», основанная на выборе зарядного тока в зависимости от падения напряжения источника, уходит в прошлое.