双端口充电器参考设计方案：平板与智能手机高效快充技术解析

在移动设备普及的今天，平板与智能手机已成为人们日常生活的核心工具。随着设备性能的提升和电池容量的增加，用户对充电效率、兼容性和安全性的需求日益增长。双端口充电器作为解决多设备充电需求的解决方案，其设计需兼顾高功率密度、协议兼容性和安全保护机制。本文基于行业前沿技术，结合典型元器件选型与电路架构，提出一套适用于平板与智能手机的双端口快充参考设计方案，涵盖核心元器件选型、电路拓扑、协议控制及安全设计等关键环节。

一、设计需求与性能指标

1.1 核心需求分析

• 多设备兼容性：需支持主流快充协议（如USB PD、QC、FCP、SCP等），适配不同品牌平板与手机。

• 功率分配策略：单口充电时需提供最大功率（如65W），双口同时充电时需动态分配功率（如45W+45W或65W+20W）。

• 安全与效率：需具备过压、过流、短路保护及高能效（满载效率＞93%）。

• 小型化设计：需适配墙插式充电器，体积控制在标准范围内。

1.2 性能指标

• 输入范围：85VAC-265VAC（全球通用电压）。

• 输出规格：

• 单口：5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A（65W）。

• 双口：每口最大45W，总功率90W。

• 能效要求：满载效率＞93%，空载功耗＜100mW。

• 协议支持：USB PD 3.0/PPS、QC 4+/4/3.0、FCP、SCP、AFC、Apple 2.4A等。

二、核心元器件选型与功能解析

2.1 主控芯片：InnoSwitch5-Pro

型号：InnoSwitch5-Pro（PI公司）
功能：集成750V PowiGaN™开关、同步整流控制器和FluxLink™反馈技术。
选型理由：

• 高频高效：支持225kHz开关频率，减少变压器体积。

• 低损耗：氮化镓（GaN）技术降低导通电阻（0.2Ω），提升能效。

• 安全保护：内置滞回式热关断、输出短路保护及输入欠压/过压检测。

• 协议兼容：通过I2C接口与PD控制芯片通信，实现CV/CC/CP精确控制。

典型应用：
在OPPO 100W双口充电器中，两颗InnoSwitch5-Pro芯片分别驱动两路反激式电源，每路输出45W，实现双口独立快充。

2.2 PD控制芯片：IP2738

型号：IP2738（英集芯科技）
功能：双路协议控制芯片，支持PD 3.0/PPS、QC 4+/4等协议。
选型理由：

• 动态功率分配：通过I2C接口与主控芯片通信，实现电流共享管理。

• 多协议支持：兼容主流快充协议，适配不同品牌设备。

• 保护机制：内置过压、过流、短路保护，确保充电安全。

典型应用：
在90W双口USB PD 3.0充电器中，IP2738通过“或”门电路防止反向电流，确保双口独立工作。

2.3 同步整流芯片：DK5V100R05M

型号：DK5V100R05M（东科）
功能：集成100V功率NMOS管，替代肖特基二极管。
选型理由：

• 低损耗：导通电阻小，降低整流损耗，提升整机效率。

• 高集成度：仅需A、K两引脚，简化电路设计。

• 高可靠性：通过UL认证，适用于工业级应用。

典型应用：
在京东京造18W PD快充中，DK5V100R05M被用于次级整流，提升能效并减少发热。

2.4 升降压控制器：SC8701

型号：SC8701（南芯科技）
功能：同步4开关降压升压控制器，支持2.7V-36V输入/输出范围。
选型理由：

• 宽电压范围：适配不同输入电压（如12V/20V适配器）。

• 高效率：驱动器电压10V，优化外部MOSFET效率。

• 多协议支持：与PD控制芯片配合，实现动态电压调整。

典型应用：
在100W双口超级闪充中，SC8701被用于输出同步整流升降压，确保多设备兼容性。

2.5 氮化镓功率器件：INN650D02

型号：INN650D02（英诺赛科）
功能：650V耐压氮化镓功率芯片，导阻0.2Ω。
选型理由：

• 高频特性：支持225kHz开关频率，减少变压器体积。

• 低损耗：导通电阻小，提升能效并降低发热。

• 高可靠性：支持ESD保护，适用于工业级应用。

典型应用：
在100W双口超级闪充中，INN650D02被用于PFC升压电路，提升能效并减少待机功耗。

三、电路架构与工作原理

3.1 输入整流与EMI滤波

• 桥式整流器：将交流电转换为脉动直流电（如TBMR810，8A/1000V）。

• π型滤波器：由电感和电容组成，抑制差模噪声。

• 共模扼流圈：减少共模噪声，提升EMC性能。

• X电容：安全级X电容（如松田电子产品），降低传导发射。

3.2 PFC升压电路

• PFC控制器：如OB6566（昂宝），运行在临界模式，提升功率因数。

• 升压电感：采用RM8磁芯，严密缠绕胶带绝缘。

• 高压滤波电容：如艾华RK系列（33μF/400V），确保稳定输出。

3.3 反激式电源电路

• 主控芯片：如InnoSwitch5-Pro，集成高压GaN开关和同步整流控制器。

• 变压器：多层绝缘线绕制，外部有塑料框架保护。

• 同步整流MOSFET：如英飞凌0805LS（7mΩ），降低导通损耗。

3.4 输出滤波与协议控制

• 固态电容：如柏瑞凯VA系列（470μF/25V），提升输出纹波性能。

• 协议芯片：如IP2738，通过I2C接口与主控芯片通信，实现动态功率分配。

• VBUS控制开关管：如平伟电子D40N30HL，控制输出电压和电流。

四、安全与保护机制

4.1 过压保护（OVP）

• 齐纳二极管：在输出过压时触发自动重启，防止电压进一步升高。

• 限流电阻：与齐纳二极管配合，限制过压电流。

4.2 过流保护（OCP）

• 电流检测电阻：实时监测输出电流，触发保护机制。

• 协议芯片控制：如IP2738，通过I2C接口与主控芯片通信，实现精确限流。

4.3 短路保护（SCP）

• 快速响应电路：在输出短路时立即切断电源，防止设备损坏。

• 自动重启功能：短路解除后自动恢复输出，提升用户体验。

4.4 过温保护（OTP）

• NTC热敏电阻：监测充电器温度，触发热关断保护。

• 滞回式控制：避免温度波动导致的频繁开关。

五、典型应用案例与性能测试

5.1 90W双口USB PD 3.0充电器

• 设计特点：单口90W，双口45W+45W，效率＞93.5%。

• 测试数据：

• 输入电压115VAC时，满载效率93.8%。

• 空载功耗95mW，符合DOE 6和CoC Tier 2能效要求。

• 输出电压纹波＜100mV，符合国家标准。

5.2 100W双口超级闪充

• 设计特点：单口65W，双口45W+50W，支持PD 3.0/PPS。

• 测试数据：

• 温度控制：满载时外壳温度＜65℃。

• 协议兼容性：通过主流设备兼容性测试。

• 效率曲线：不同负载条件下效率＞92%。

六、设计优化与未来趋势

6.1 优化方向

• 小型化设计：采用高频GaN技术，减少变压器体积。

• 高集成度：集成降压控制器和协议芯片，简化电路设计。

• 智能功率分配：根据设备需求动态调整功率，提升充电效率。

6.2 未来趋势

• USB PD 3.1：支持更高功率（如240W），适配笔记本电脑等设备。

• 无线充电集成：双口充电器与无线充电模块结合，提升用户体验。

• AI控制：通过机器学习优化功率分配，提升能效和安全性。

七、结论

本文提出的双端口充电器参考设计方案，结合InnoSwitch5-Pro、IP2738、DK5V100R05M等核心元器件，实现了高功率密度、多协议兼容性和安全保护机制。通过实际案例测试，验证了其在效率、兼容性和可靠性方面的优势。未来，随着GaN技术和USB PD 3.1的普及，双端口充电器将进一步向小型化、智能化方向发展，满足用户对高效快充的需求。