4月份參加了電子發燒友網組織的“Type-C&快充技術論壇”，談了USB Type-C接口和USB PD應用中的安全問題，本號上期發表的文章“USB PD應用中的安全設計”也被幾乎全文不動地轉載在他們的網站上了，真的非常感激他們的看重。其實在演講與寫作之間是有很大的不同的，即使是同一個話題，其表達方法不一樣，呈現的內容也有不同，所以，有個朋友就拿著我的演講文稿對著文章來閱讀，說這樣感覺很好。對于這樣的欣賞，我心懷感激。

USB Type-C和PD協議的應用給USB接口所帶來的變化，最顯著的就是傳輸功率的能力大大提高了，最高達到了100W，這是通過提高電壓至20V、提高電流至5A來實現的，但如果離開了PD協議，Type-C接口能夠容許的最大傳輸能力就是5V3A，即15W。看看現在市場上被普遍推崇的快充，動輒幾十W的功率，再考慮到USB接口的普遍性，你就知道PD協議在這個市場上最終被廣泛接納是很容易理解的了，這估計是最初定義USB規格的人們當時也想不到的。再看看比USB PD這個概念先熱起來的無線電力傳輸，到了今天仍在艱難推廣，人們都把它能廣泛使用的機會放在某些大牌廠商的使用上，但是看看它的指標其實就能理解它不被熱捧的原因：最初的Qi標準低功率傳輸最大功率是5W，后來力推的中功率也就是十幾W，再加上比較大的空間占用、比較低的效率，與現在主流的智能手機的需求顯然是有一些矛盾的。實際上，對于移動設備來說，無線電力傳輸要解決的是充電的方便性問題，當USB Type-C接口已經大大方便了連接過程的時候，無線連接帶來的方便性的好處便有所降低了，相關的應用者應當對其應用場景做出更多一些的思考。

談論安全性的時候，我們會比較多地關注電壓提高所帶來的問題，因為它所帶來的影響非常直接，所有不能承受高壓的器件一旦接觸到超過其耐受能力的電壓，損傷損害的發生是一瞬間的事情（實際上也有個過程，而且很重要），這個問題我曾經談過，關心的讀者可在歷史消息中尋找關于EOS問題的文章來閱讀了解。與高壓對應的另一個角度是大電流，它也會帶來問題，但相對來說，其影響通常不是那么大。如果大電流所造成的影響能夠馬上被發現，這種問題通常在設計過程中就會被修正，而其他的一些問題常常要用一定的時間積累來呈現，因而就降低了問題的緊迫性。

電流形成的過程是電子在電場力的作用下在導體中的移動過程，這些電子并不能毫無阻礙地直線前進，它們只能在一個個緊緊相鄰的原子之間跳動，每一顆原子都在盡力要將這些電子留住，這就形成了阻力，也就是我們說的電阻。電場力驅動電子克服阻力前進的過程需要做功，這些功又轉化為熱量，因而導體的溫度會升高，當其溫度比周邊環境溫度高的時候，熱量就會向周邊傳遞，這時候我們就說它發熱了。我們都知道電流流過電阻所消耗的功率為P = R*I^2，所以電流越大，導體上的功率消耗也越大，發熱量也越高，溫升也越大。一般金屬的電阻都會隨著溫度的升高而加大，所以電流加大所導致的發熱量的增加是很厲害的，它會逐漸惡化，如果包覆導體的材料是塑料之類的，這些材料就很容易老化變硬，這樣又更容易在使用中受損。

電流流過電纜所形成的電壓降也是個問題，其值等于R*I。因為這個原因，當兩臺設備通過USB連接電纜連接起來的時候，供電端的電壓和受電端的電壓是不等的。以5V電源為例，它的電壓精度指標可能是5V±5%，但在經過電纜以后，由于電壓降的影響，實際的電壓可能已經低了很多，有的設備所用器件的工作電壓范圍如果太窄，就不能正常工作了，所以USB的規范會規定必須的電壓范圍如5V±0.5V，這樣就給電纜留下了250mV的壓降空間，只要利用已經知道的最大通過電流，就能得到容許的最大電纜阻抗，電纜線材的選擇就有了依據。當然了，這樣選擇的時候還要為連接部分的接觸電阻留下空間，這是我們在將問題進一步深入的時候需要考慮的。

大電流對器件的設計也會帶來影響。我們采用小電流對鋰離子電池進行充電的時候，一般都是采用線性充電器件，器件封裝也可以比較小。

上圖所示的是RT9527的典型應用電路圖，它是一款充電電流設定范圍為10mA~600mA的線性充電IC，可在4.4V~6V輸入范圍內工作，最高可以承受28V的電壓沖擊。由于它的預充電壓閾值（電池電壓在此電壓以下時，它以預充電電流對電池進行充電）為2.8V，所以它的最大功耗為(6V – 2.8V) * 0.6A = 1.92W，因而它采用了最大功率耗散能力為2.19W的WDFN封裝，下圖是它的封裝引腳定義圖：

從中可以看到它的外圍尺寸只有2mmX2mm，可以說是非常小的，很適合用在小型設備當中。從引腳圖中可以看到它有一個TS端子，只要外接上合適的熱敏電阻，就可以在電池溫度過高或過低時暫時停止充電過程以確保安全。如果因充電電流過大而造成IC自身溫度過高，充電電流也會自動降低以確保安全，下圖就是這種自我保護機制中的電流與溫度之間的關系圖：

在這樣的應用中，電流不算太大，所以，充電IC在測量電池電壓的時候是直接在它的輸出端子BAT端進行的，內部也不會對此電流所造成的路徑壓降進行補償，因而芯片的設計就會比較簡單，下圖是它的內部電路框圖，可供有興趣者參考。

當快速充電應用出現以后，線性電路架構基本上就沒有應用的機會了，因為大電流所帶來的影響將在很多方面體現出來。先來看一個數據，如果上面所述的電壓參數都不變，我們直接將充電電流調整到3A，那么最壞情況下的電路功率消耗就變成 (6V – 2.8V) * 3A = 9.6W，這樣的功耗將沒有哪一個便攜式設備可以承受，可供選用的器件封裝也變成了難題，因而就必須將實現電壓轉換的電路架構改為開關模式，于是我們就有了類似下圖這樣的應用電路圖：

此圖截取自RT9466的規格書，電路還是非常簡潔，但從外部電源輸入端到轉換器的輸出端之間已經是Buck架構，它可以最大5A的電流對電池進行充電。該轉換器的輸出可以直接為系統供電，同時又在IC的內部增加了一個可控的開關，由它來決定電池要不要接入電路中以及要在何時接入，而這一切也都是可控的，IC內部有大量的寄存器可以用于類似這樣的控制目的，系統控制器可以根據自己的需要通過I2C接口對所有的過程和參數進行操控，從而得到一個符合自己需要的電池管理系統。借助Buck架構的挹注，該器件的輸入電壓范圍可在4V~14V之間變化，輸入電流被Buck架構特有的電流放大能力自動放大，在降低了功耗的同時，也實現了充電過程的加速。

在大電流充電過程中，從BAT端到電池的路徑上會存在電阻，而且在不同的設計中表現出不同的參數，這將在充電過程中造成恒流充電過程時間縮短、恒壓充電過程時間延長并因而使快充的目的不能很好地實現。為了彌補這樣的缺憾，RT9466內部含有IR補償功能，用戶只需將實際的線路阻抗參數R提供給它，它就能自動消除這一影響。納入了IR補償的充電曲線與常規的充電曲線是不一樣的，下圖是對它的形象化說明：

如果沒有加入IR壓降補償功能，實際的充電過程曲線就會是這樣的：

讀者可以從上述兩圖中電壓、電流曲線和充電時間的差異上來對此進行理解。

當采用線性充電電路的時候，充電電路的輸入電流和輸出電流之間是基本相等的，差異的部分是由IC的消耗造成的，這基本上可以忽略不計。改用以開關模式工作的電路以后，充電電路的輸出電流和輸入電流之間通常會有巨大的差異，如果一切都是理想的，我們對這些差異可以不予理睬，但現實都是有局限的，我們不得不對這些差異所帶來的影響進行評估，這樣就會引入一些全新的概念，如MIVR（最低輸入電壓調節）、AICR（平均輸入電流調節）等，這都是為了系統的安全或是為了滿足一些標準的限制而設定的。

以我的經驗來看，大部分的電子工程師對電壓的感覺會好于對電流的感覺，這可能與實際測量中比較容易看到電壓信息有關。對電流沒感覺，比較直觀的表現是在PCB設計上出問題，我過去常常看到因此而不能正常工作的設計，指導修改的過程也會很費勁，有時候要做很形象的說明才能讓人明白為什么要那么做，所以我希望人們能對電流的本質及其影響多一些思考，逐漸提高在此方面的認識。恰好最近聽我歐洲的同事在說要做一期關于PC主板上給CPU供電的轉換器的電子報，那也是涉及大電流的，有時的電流能達到一百多個安培，設計上就有相當多的講究，要考慮的問題也會很多，還需要關注CPU制造商所制訂的一些規范，但具體的內容會是怎樣的我還不知道，對此有興趣的讀者可以在關注我們的微信號后在菜單欄的“深入交流”欄目里選擇“加入立锜會員”，我們在收到你所填寫的郵箱地址以后，就會在電子報發布時直接把相關的內容發送給你做參考。

另外，最近電子發燒友網約我在他們的網站上做視頻直播，第一次直播的主題是“怎樣讓充滿電的鋰離子電池使用時間更長久”，這個話題我已經講過很多次了，但發現每一次的反響都很熱烈，所以也想把它分享給其他朋友。其實這個話題本身可能沒有什么實際的用途，但目的卻是借此話題作為一個入口去談鋰離子電池的特性，以便大家能對自己在使用的東西有個正確的理解，知道在應用中要如何去做思考和設計，幫助做出正確的決策。從另一個角度來看，對鋰離子電池進行正確處理的過程其實也是電源管理的核心問題，我們需要解決供電源的不確定性和負載需求的確定性之間的不一致性問題，循此話題逐漸深入，就可以對所有的電源管理領域做更進一步的探索，逐漸成為一個能夠在該領域自由行動的人。