電流增大模塊及電子終端的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及快速充電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電流增大模塊及電子終端。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜電子終端，特別是智能電子終端配置的提升，對電量的消耗量也越來越大。近年來，相同體積下電池容量提升技術(shù)遇到瓶頸，已經(jīng)不能滿足智能便攜電子終端的續(xù)航要求，導致的結(jié)果是便攜電子終端的充電頻率越發(fā)頻繁，充電次數(shù)的增加導致花在充電上的時間也越來越長，已經(jīng)嚴重影響到了用戶體驗。
[0003]如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)中電子終端的示例充電環(huán)境的框圖。該環(huán)境包括充電設(shè)備10，該充電設(shè)備10能夠經(jīng)由充電輸出連接器11提供充電電流。充電設(shè)備10可以具有電源插頭13以獲得來自常規(guī)電力插座的電力，以及使用常規(guī)組件(未示出)，以將交流電(AC)轉(zhuǎn)換成預(yù)定電壓的直流電(DC)，該預(yù)定電壓適用于經(jīng)由常規(guī)電纜20對電子終端30進行充電。
[0004]在另一種現(xiàn)有技術(shù)中，電源插頭13可以是連接到常規(guī)組件(未示出)的常規(guī)DC電源插頭(未示出)，該常規(guī)組件將進入的DC電流和電壓轉(zhuǎn)變成用于對電子終端30進行充電的適當?shù)腄C電流和電壓。
[0005]在另一現(xiàn)有技術(shù)中，充電設(shè)備10可以包括電池12，該電池12用于在沒有可以使用的AC電源或充電設(shè)備10不包括電源插頭的情況下來提供充電電流。充電設(shè)備10的示例包括:輸出功率在100W以內(nèi)，輸出電壓在20V以下的充電設(shè)備，包括但不限于手機充電器/設(shè)備、便攜計算機充電器/設(shè)備、USB接口充電器/設(shè)備、臺式計算機和便攜式計算機等。
[0006]充電設(shè)備1的充電輸出連接器11經(jīng)由兼容類型的連接器21連接到電纜20的一端。電纜20的另一端經(jīng)由兼容類型的連接器22連接到電子終端30的連接器31。當電纜20耦合到充電設(shè)備1和電子終端30時，充電設(shè)備10的連接器11將表現(xiàn)為至電子終端30的充電輸出端口。電子終端30的接口將表現(xiàn)為充電輸入端口。
[0007]在另一現(xiàn)有技術(shù)中，電纜20的連接器21和充電設(shè)備10的連接器11被組合成不可以從充電設(shè)備1拆分的一個連接器。
[0008]電子終端30是能夠經(jīng)由連接器31接收充電電流的任何便攜式設(shè)備，以及對電子終端30內(nèi)耦合到電子終端30的電池32進行充電。電子終端30的一些示例包括便手機、攜式電話、mp3/mp4播放器、筆記本電腦、智能手表、智能手環(huán)、平板電腦和個人游戲機等。
[0009]為了縮短充電時間，需要使用較大的充電電流對電池充電，電流從充電設(shè)備經(jīng)充電線纜傳輸?shù)奖銛y電子終端過程中會依次經(jīng)過充電設(shè)備、充電線纜、便攜電子終端內(nèi)部充電線路及若干連接器，最后才到達充電電池，這些位置均存在不可忽略的電阻，由公式P =I2*R，電流增加3倍，發(fā)熱量會增大9倍，損耗會增加9倍。
[0010]現(xiàn)有的第一種快速充電技術(shù):充電設(shè)備通過加大輸出電流的方式在單位時間內(nèi)將更大的功率經(jīng)過充電線纜輸入到便攜電子終端給電池充電，簡稱低壓快充。低壓快充需要加粗線纜及走線導體橫截面積、增加連接器金手指數(shù)量及加厚鍍金層，的方式降低線纜、走線及連接器功率損耗，使用此類技術(shù)的便攜電子終端充電時對線纜阻抗十分敏感，必須使用專用的低阻抗線纜才能進行快速充電，如果更換通用的USB線纜則不能安全的進行快速充電。
[0011 ]現(xiàn)有的第二種快速充電技術(shù):充電設(shè)備通過升尚輸出電壓的方式在單位時間內(nèi)將更大的功率經(jīng)過充電線纜輸入到便攜電子終端給電池充電，簡稱高壓快充。高壓快充需要在便攜電子終端中增加直流加壓裝置，目前普遍使用電感充放電方式來做直流降壓。電感充放電做直流降壓的技術(shù)典型轉(zhuǎn)化效率為90%。充電設(shè)備輸出24W的功率，在電感充放電直流降壓單元損耗的功率為2.4W。
[0012]另外，第一現(xiàn)有技術(shù)使用分別放置在充電設(shè)備中的單片機與放置在便攜電子終端中的單片機的輸入輸出接口對連的方式傳輸充電設(shè)備與便攜電子終端之間的溝通信號。其接口的低電平噪聲容限和高電平噪聲容限不足，當線纜IR drop大于一定程度時，便攜電子終端與充電設(shè)備之間的通信不能穩(wěn)定進行。
[0013]第二現(xiàn)有技術(shù)在電子終端端通過以一定規(guī)律大電流小電流交替抽電的方式完成對充電設(shè)備的單向溝通，第一缺點是只能便攜電子終端對充電設(shè)備單向通信，充電設(shè)備無法對便攜電子終端發(fā)送信號，第二缺點是傳輸?shù)闹噶钣邢?，不能實現(xiàn)充電設(shè)備輸出電壓的密集調(diào)整，第二缺點是傳輸過程中充電電流不可避免地減小，延長了充電時間。
[0014]第三現(xiàn)有技術(shù)通過便攜電子終端交替改變第一信號線和第二信號線的電平實現(xiàn)便攜電子終端對充電設(shè)備溝通，第一缺點是只能便攜電子終端對充電設(shè)備單向通信，充電設(shè)備無法對便攜電子終端發(fā)送信號，第二缺點是傳輸?shù)闹噶钣邢?，不能實現(xiàn)充電設(shè)備輸出電壓的密集調(diào)整。
[0015]如圖2所示，是圖1的充電環(huán)境的連接關(guān)系示意圖，在一個通用的電子終端充電行為中:充電設(shè)備10輸出電流經(jīng)由連接器11電源腳流經(jīng)充電線纜連接器21的電源腳，經(jīng)過充電線纜的電源線流到連接器22的電源腳，再流到電子終端充電輸入連接器31的電源腳，流經(jīng)電子終端充電輸入回路線路及電芯后，耦合到充電輸入連接器31的地腳，再一次經(jīng)由充電線纜連接器22的地腳，充電線纜的地線，充電線纜的連接器21的地腳，回到充電設(shè)備10的充電輸出連接器11的地腳。在該回路中，依次通過電源線纜及連接器串聯(lián)等效電阻RS121，RS201，RS231;電子終端內(nèi)部走線串聯(lián)等效電阻Rpcbl，Rpcb2，電芯等效電阻Rcell;地線纜及連接器串聯(lián)等效電阻RS232，RS202，RSl 22。
[0016]上述現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下技術(shù)問題:
[0017]1、通信穩(wěn)定性問題
[0018]充電設(shè)備10經(jīng)由電纜20對電子終端30充電時，電流依次通過電源線及連接器串聯(lián)等效電阻RS121，RS201，RS231，電子終端充電線路等效電阻Rpcbl，Rpcb2;然后依次通過地線及連接器串聯(lián)等效電阻RS232，RS202，RS122回到充電設(shè)備10。被設(shè)計為高壓快充的電源路徑串聯(lián)等效電阻Rhp = RS121+RS201 +RS231 +Rpcb I被設(shè)計為150mR，地回路串聯(lián)等效電阻Rhg = Rpcb2+RS232+RS202+RS122被設(shè)計為150mR，設(shè)計最大充電電流為Imax = 3A，則地回路壓降為 Δ Vgnd = Rgnd*Imax = 0.45Vο
[0019]被設(shè)計為低壓快充的充電設(shè)備到電子終端的纜地回路串聯(lián)等效電阻Rhg= Rpcb2+RS232+RS202+RS12被設(shè)計為60mR，設(shè)計最大充電電流為Imax = 6A，則地回路初始壓降為ΔVgnd = Rgnd*Imax = 0.36V。隨著線纜插接次數(shù)的增加連接器插針出現(xiàn)磨損、氧化、變形之后地回路中RS122和RS232增大20mR，則地回路串聯(lián)等效電阻增大為60mR+20mR = 80mR.此時地回路初始壓降為 Δ Vgnd = Rgnd*Imax = 6A*0.08r = 0.48V O
[0020]現(xiàn)有技術(shù)分別在充電設(shè)備端和電子終端端放置一個工作電壓為3.3V的單片機其輸入輸出口的低電平容限為O?0.4V;高電平容限為(VDD-0.4V)?VDD，如將VDD接到3.3 V，則高電平容限為2.9?3.3V，將兩個單片機的輸入輸出口直接連接來作為充電過程中通信的物理媒介。
[0021]當電子終端端發(fā)出信號，充電設(shè)備端接收信號時:被放置于電子終端端的單片機通信輸出口輸出電平OV，到達充電設(shè)備端的單片機通信輸入端口的電壓為OV+ Δ Vgnd =0.48V;被放置于電子終端端的單片機通信輸出口輸出高電平3.3V，到達充電設(shè)備端的單片機輸入端口的電壓為3.3V+ Δ Vgnd = 3.78Vo
[0022]當充電設(shè)備端發(fā)出信號，電子終端端接收信號時:被放置于充電設(shè)備端的單片機通信輸出口輸出低電平OV，到達充電設(shè)備端的單片機通信輸入端口的電壓為OV- △ Vgnd =-0.48V;被放置于充電設(shè)備端的單片機通信輸出口輸出高電平3.3V，到達電子終端端的單片機輸入端口的電壓為3.3V- Δ Vgnd = 2.82V。
[0023]由此可見，不論是使用高壓快充還是使用低壓快充，當充電電流較大或插接次數(shù)增加到一定程度時，放置于充電設(shè)備端的單片機與放置于電子終端中的單片機通信電平已超出其正常耐受范圍，通信將不能穩(wěn)定進行。
[0024]2、低壓快充時線纜功率損耗大傳輸效率低問題
[0025]目前配置了低壓快充技術(shù)的充電設(shè)備，充電線纜以及電子終端的充電回路阻抗
[0026]Rh=(RS121+RS201+RS231+Rpcbl+Rcell+Rpcb2+RS232+RS202+RS122)
[0027]被控制在120mR附近，在通過4.5A直流電時，其功率損耗由公式P = I2*R計算線纜損耗P2 = 2.43W。電池達到典型的最高電壓4.35V時，由P = I*V計算輸入到電池的功率為P1 =19.57￥，因此最高傳輸效率為11 = ?2/(?1+?2) =88%；
[0028]電池為典型可快充的最低電壓3V時，由P=I*V計算輸入到電池的功因此最低傳輸效率為η=Ρ1/(Ρ1+Ρ2) =84%，故線纜平均傳輸效率為86%
[0029]3、低壓快充對線纜阻抗要求高，充電線纜通用性差問題
[0030]以一條典型的通用USB線纜為例，其回路阻抗Rh被設(shè)計為250mR，連接器回路阻被設(shè)計為40mRο如使用該線纜連接支持低壓快充技術(shù)的充電設(shè)備和電子終端對電池充電，則線纜的功率損耗由P=I2*R計算為5.06W，Micro USB或者typeC連接器位置功率損耗同樣由P = I2*R計算為0.81W。總功率損耗為5.87W，同樣方法計算線纜平均效率僅為73.3%。線纜傳輸效率已經(jīng)低到不可接受的程度。同時，由于線纜上有5.06W的功率損耗，其發(fā)熱也相當可觀，更有，由于Micro USB或者TypeC連接器位置面積很小，散熱能力也很小，0.81W的足以造成有安全隱患的溫升。
[0031]另外，線纜上的壓降A(chǔ)V=I*R計算為1.305V。而目前使用低壓快充技術(shù)的充電設(shè)備標稱最高輸出電壓為5V，無法以4.5A的恒流電流將典型的電池充電到CV (4.35V)點。如要想將典型的電池快速充電到CV(4.35V)點，僅考慮線纜和Micro USB或者TypeC連接器損耗，充電器輸出電壓至少要保證4.35+1.305V = 5.66V。
[0032 ] 4、低壓快充對充電連接器阻抗變化敏感，充電線纜使用壽命短問題
[0033]低壓快充的連接器接觸回路阻抗被設(shè)計為20mR，初始功率損耗由P = I2*R計算為
0.405W。隨著插拔次數(shù)的增加，連接器接觸位置插針磨損，氧化，臟污，變形后，當連接器回路阻抗增大到40mR時，P = I2*R功率損耗為0.81W，由于MICRO連接器位置金屬面積很小，散熱