雙端口充電器參考設計方案：平板與智能手機高效快充技術解析

在移動設備普及的今天，平板與智能手機已成為人們日常生活的核心工具。隨著設備性能的提升和電池容量的增加，用戶對充電效率、兼容性和安全性的需求日益增長。雙端口充電器作為解決多設備充電需求的解決方案，其設計需兼顧高功率密度、協議兼容性和安全保護機制。本文基于行業前沿技術，結合典型元器件選型與電路架構，提出一套適用于平板與智能手機的雙端口快充參考設計方案，涵蓋核心元器件選型、電路拓撲、協議控制及安全設計等關鍵環節。

一、設計需求與性能指標

1.1 核心需求分析

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

• 功率分配策略：單口充電時需提供最大功率（如65W），雙口同時充電時需動態分配功率（如45W+45W或65W+20W）。

• 安全與效率：需具備過壓、過流、短路保護及高能效（滿載效率＞93%）。

• 小型化設計：需適配墻插式充電器，體積控制在標準范圍內。

1.2 性能指標

• 輸入范圍：85VAC-265VAC（全球通用電壓）。

• 輸出規格：

• 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：InnoSwitch5-Pro（PI公司）
功能：集成750V PowiGaN?開關、同步整流控制器和FluxLink?反饋技術。
選型理由：

• 高頻高效：支持225kHz開關頻率，減少變壓器體積。

• 低損耗：氮化鎵（GaN）技術降低導通電阻（0.2Ω），提升能效。

• 安全保護：內置滯回式熱關斷、輸出短路保護及輸入欠壓/過壓檢測。

• 協議兼容：通過I2C接口與PD控制芯片通信，實現CV/CC/CP精確控制。

典型應用：
在OPPO 100W雙口充電器中，兩顆InnoSwitch5-Pro芯片分別驅動兩路反激式電源，每路輸出45W，實現雙口獨立快充。

2.2 PD控制芯片：IP2738

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

• 動態功率分配：通過I2C接口與主控芯片通信，實現電流共享管理。

• 多協議支持：兼容主流快充協議，適配不同品牌設備。

• 保護機制：內置過壓、過流、短路保護，確保充電安全。

典型應用：
在90W雙口USB PD 3.0充電器中，IP2738通過“或”門電路防止反向電流，確保雙口獨立工作。

2.3 同步整流芯片：DK5V100R05M

型號：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：導通電阻小，降低整流損耗，提升整機效率。

• 高集成度：僅需A、K兩引腳，簡化電路設計。

• 高可靠性：通過UL認證，適用于工業級應用。

典型應用：
在京東京造18W PD快充中，DK5V100R05M被用于次級整流，提升能效并減少發熱。

2.4 升降壓控制器：SC8701

型號：SC8701（南芯科技）
功能：同步4開關降壓升壓控制器，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：驅動器電壓10V，優化外部MOSFET效率。

• 多協議支持：與PD控制芯片配合，實現動態電壓調整。

典型應用：
在100W雙口超級閃充中，SC8701被用于輸出同步整流升降壓，確保多設備兼容性。

2.5 氮化鎵功率器件：INN650D02

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

• 高頻特性：支持225kHz開關頻率，減少變壓器體積。

• 低損耗：導通電阻小，提升能效并降低發熱。

• 高可靠性：支持ESD保護，適用于工業級應用。

典型應用：
在100W雙口超級閃充中，INN650D02被用于PFC升壓電路，提升能效并減少待機功耗。

三、電路架構與工作原理

3.1 輸入整流與EMI濾波

• 橋式整流器：將交流電轉換為脈動直流電（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X電容（如松田電子產品），降低傳導發射。

3.2 PFC升壓電路

• PFC控制器：如OB6566（昂寶），運行在臨界模式，提升功率因數。

• 升壓電感：采用RM8磁芯，嚴密纏繞膠帶絕緣。

• 高壓濾波電容：如艾華RK系列（33μF/400V），確保穩定輸出。

3.3 反激式電源電路

• 主控芯片：如InnoSwitch5-Pro，集成高壓GaN開關和同步整流控制器。

• 變壓器：多層絕緣線繞制，外部有塑料框架保護。

• 同步整流MOSFET：如英飛凌0805LS（7mΩ），降低導通損耗。

3.4 輸出濾波與協議控制

• 固態電容：如柏瑞凱VA系列（470μF/25V），提升輸出紋波性能。

• 協議芯片：如IP2738，通過I2C接口與主控芯片通信，實現動態功率分配。

• VBUS控制開關管：如平偉電子D40N30HL，控制輸出電壓和電流。

四、安全與保護機制

4.1 過壓保護（OVP）

• 齊納二極管：在輸出過壓時觸發自動重啟，防止電壓進一步升高。

• 限流電阻：與齊納二極管配合，限制過壓電流。

4.2 過流保護（OCP）

• 電流檢測電阻：實時監測輸出電流，觸發保護機制。

• 協議芯片控制：如IP2738，通過I2C接口與主控芯片通信，實現精確限流。

4.3 短路保護（SCP）

• 快速響應電路：在輸出短路時立即切斷電源，防止設備損壞。

• 自動重啟功能：短路解除后自動恢復輸出，提升用戶體驗。

4.4 過溫保護（OTP）

• NTC熱敏電阻：監測充電器溫度，觸發熱關斷保護。

• 滯回式控制：避免溫度波動導致的頻繁開關。

五、典型應用案例與性能測試

5.1 90W雙口USB PD 3.0充電器

• 設計特點：單口90W，雙口45W+45W，效率＞93.5%。

• 測試數據：

• 輸入電壓115VAC時，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，符合國家標準。

5.2 100W雙口超級閃充

• 設計特點：單口65W，雙口45W+50W，支持PD 3.0/PPS。

• 測試數據：

• 溫度控制：滿載時外殼溫度＜65℃。

• 協議兼容性：通過主流設備兼容性測試。

• 效率曲線：不同負載條件下效率＞92%。

六、設計優化與未來趨勢

6.1 優化方向

• 小型化設計：采用高頻GaN技術，減少變壓器體積。

• 高集成度：集成降壓控制器和協議芯片，簡化電路設計。

• 智能功率分配：根據設備需求動態調整功率，提升充電效率。

6.2 未來趨勢

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

• 無線充電集成：雙口充電器與無線充電模塊結合，提升用戶體驗。

• AI控制：通過機器學習優化功率分配，提升能效和安全性。

七、結論

本文提出的雙端口充電器參考設計方案，結合InnoSwitch5-Pro、IP2738、DK5V100R05M等核心元器件，實現了高功率密度、多協議兼容性和安全保護機制。通過實際案例測試，驗證了其在效率、兼容性和可靠性方面的優勢。未來，隨著GaN技術和USB PD 3.1的普及，雙端口充電器將進一步向小型化、智能化方向發展，滿足用戶對高效快充的需求。