行动装置搭载大尺寸、高画质屏幕已是大势所趋，产品制造商无不积极采纳新的快速充电方案以延长电池使用寿命。新型混合可调式高电压转换器可辨识系统电压需求，弹性调升输出电压至9伏特或12伏特，因而能显着缩短电池充电速度。

　　行动装置已成为一般人日常生活不可或缺的元素，以智慧型手机为例，除了单纯通话功能外，如今亦内含许多丰富功能，包括社群网路、网路浏览、讯息收发、游戏、大尺寸高画质萤幕等，都导致手机相当耗电。厂商因此不断提高电池容量与能源密度，并发展快速充电功能，如充电10分钟即可使用一整天，或是充电1小时可恢复八成电力，都是日益普及的设计趋势。

　　基于快速充电需求与高电池容量，行动装置充电电流可能达4安培以上，因此对电池供电系统设计带来众多新挑战。

　　实现快速充电方案　USB-PD设计扮先锋

　　行动装置常采用5伏特(V)通用序列汇流排(USB)供电，然而，传统USB 2.0连接埠输出电流最高500毫安培(mA)，而USB 3.0连接埠最高也仅900毫安培，均无法满足快速充电需求。

　　USB转接器如专用充电埠(DCP)搭配micro-USB连接器后，可提高输出电流至1.8安培。可惜一般5伏特/2安培转接器只提供总共10瓦(W)的充电功率，若以此做为充电器电源，充电电流最多只有2.5安培，不足以供应4,000毫安时(mAh)以上的电池组。

　　理论上，5伏特转接器可提高输出电流，进而提高输出功率，但必须增加成本与使用特殊线路，而且也会出现几项限制。例如，2安培以上的转接器电流需要较粗的电线与特殊USB连接器，这将提高系统解决方案成本，且传统USB线路基于电源损耗及安全顾虑，并不适合。另外，转接器电线阻抗依据线路长度与厚度，通常介于150?300毫欧姆(mΩ)。提高输出电流会增加线路压降，降低充电器输入有效电压，当充电器输入电压接近电池充电电压，充电电流会大幅降低，并增加充电时间。

　　例如使用5伏特/3安培转接器与180毫欧姆线路电阻时，线路压降为540毫伏特(mV)，目前充电器输入电压为4.46伏特。假设充电器输入至电池组的总电阻为150毫欧姆，其中包括充电器的金属氧化半导体场效电晶体(MOSFET)导通阻抗，以及直流电电感电阻。即使充电器可支援3安培，但为4.35伏特锂离子电池组充电时，最大充电电流也只有730毫安培，未达1安培，肯定不足以发挥快速充电功能。

　　依据以上分析，电源输入电压必须提高，以提供足够电压，避免充电器进入压差模式。在这些限制下，当系统需要超过10瓦或15瓦的电力，就该使用如9伏特或12伏特的高电压转接器。在相同电力条件中，高电压转接器所需的输入电流较低、输入电压余裕较高，可完全符合电池电压充电需求。高电压转接器的唯一限制在于向后相容性，若高电压转接器插入支援5伏特输入的行动装置，系统可能因为过压保护而关闭，或是因为高电压保护不足，导致装置受损。

　　在诸多限制之下，USB电力传送(PD)转接器等新式混合高电压转接器陆续问世。此种混合式电压转接器的共同特色在于，转接器与系统控制器交握后，即可辨识系统电压需求。转接器最初预设为5伏特输出，若经过确认，亦可提高电压至9伏特或12伏特，以达到快速充电。

　　使用特殊交握演算式及讯号传递后，透过VBUS或D+及D-线路，即可达到系统与转接器沟通，此种新式混合可调式电压转接器能做为通用电源，支持常见的传统5伏特系统与高输入电压系统的快速充电。

　　延长定电流充电模式时间　装置电力回复速度再提升

　　是否藉由独特充电策略，既缩短充电时间，却又避免增加输入电源或充电电流？如此必须从充电循环着手。

　　充电循环共有定电流与定电压两种运作模式。电池电压低于额定充电电压，充电器会以定电流模式运作，只要受感测的电池组终端电压达到预设额定电压，就会进入定电压模式。若实际电池电流达到结束电流，则会终止充电，通常约为完全快速充电电流的5%至10%。

　　在理想的充电系统里，电池组内没有任何电阻，运作模式只有定电流一种，没有定电压模式，充电时间也最短。因为充电电流立刻降至零，且充电电压达到额定值后，就会结束充电。

　　新电池组在1C充电速率下，充电器大约在定电流模式内，花费约三成总充电时间，可充至七成电量；反观在定电压模式下，耗费总充电时间的七成，却只充入三成电量。

　　但在实际情况下，从电压感测点到电池组之间的电阻众多，例如印刷电路板迹线；电池充放电MOSFET的导通阻抗；衡量电池充放电电流的电流感测电阻，做为电量计内的过电流保护；电池组内部电阻，会随电池组老化、温度及充电状态变化。

　　电池组内电阻愈高，定电压模式所需的充电时间愈长，唯有电池开路电压达到最大充电电压时，电池才算充电完成。若电池充电电压感测点与电池组之间电阻较高，即使电池组感测电压达到额定值，实际电池组开放线路电压仍低于理想额定电压。

　　由于智慧型手机与平板电脑等采用4安培以上的充电电流，情况更加复杂，当充电电流如此之高时，印刷电路板迹线的压降或电池组内部电阻大幅提高，导致充电器提早进入定电压模式，同时拖累充电速度，该如何在高压降的条件下缩短充电时间？

　　只要仔细监控充电电流，即可即时准确估计充电路径上的压降。IR补偿等电阻补偿技巧可提高电池额定电压，以补偿充电路径的额外压降。故充电器能在定电流模式维持较长时间，直至真正电池组开路电压相当接近理想电压值，因此可大幅缩短定电压充电模式时间，最低仅占两成。

　　避免装置过热　充电器转换效率至关重要

　　若希望发挥快速充电功能，必须使用9伏特/1.8安培或12伏特/2安培的高功率转接器，这样的功率除了充电外，甚至可供应系统用电，这也是行动装置温度骤升的原因之一。为改善终端使用者经验，装置外壳与周遭温度最大增幅不应超过摄氏15度，因此充电器电源转换效能与系统热性能更显重要，但要如何达到最佳热性能与效率？

　　图1为4.5安培高效能交换模式充电器应用线路简图，同时支援USB与交流电转接器，并整合所有MOSFET。MOSFET Q2、Q3与电感L共组成同步切换降压电池充电器，达到最高电池充电效能，并完全使用转接器电源供应最快速充电。MOSFET Q1发挥逆向电流阻隔功能，避免电池透过MOSFET Q2本体二极体泄漏至输入电源，也做为输入电流感测元件，监控转接器电流。MOSFET Q4可主动监控电池充电电流，所有单结型场效应电晶体(FET)设计必须具备够低的导通阻抗，以达到高效能。

　　图1　4.5安培I2C高效能切换充电器方块图

　　为进一步改善热性能，设计人员得采用热调节回路，只要达到预设接点温度，就会降低充电电流，藉以发挥控制功能。

　　电流愈高　充电速度愈快

　　图2为充电电流与充电时间的关系，只要充电电流速率不超过电池组制造商载明的速率上限，电流愈高，充电速度愈快。如图2所示，充电时间缩短三成，换言之，充电电流从2.5安培增为4.5安培后，充电时间从269分钟降为206分钟。

　　图2　不同充电电流所需充电时间比较

　　图3说明在实际充电器设计内，使用IR补偿技巧对充电时间的助益。为8,000mAh单电池组充电时，弥补70毫欧姆电阻，在4.5安培充电电流条件下，充电时间缩短17%，从234分钟降为200分钟，但未增加额外成本及热影响。

　　图3　IR补偿技巧应用前后的快速充电时间对比，从234分钟降为200分钟。

　　快速充电对许多行动装置日益重要，故在实际充电系统设计里，须考量更多因素，包括新型高电压转接器、充电电流、热优化等。也需要先进充电架构，以缩短充电时间与延长电池寿命，实验结果证明快速充电设计的成效。