Les dernières années ont vu un changement assez important sur le marché mobile, les vendeurs de smartphones se sont lancés dans une course aux armements littérale visant les téléphones à chargement le plus rapide possible. En seulement quelques années, nous avons vu des téléphones passer de ce qui était autrefois considéré comme une «charge rapide» à un taux allant jusqu’à 18 W à de nouveaux tarifs annoncés de 65 W. Cependant, ce que beaucoup de consommateurs méconnaissent souvent, c’est que ces nouveaux systèmes de charge rapide ne sont pas principalement activés par les nouvelles technologies de batterie, mais plutôt par de nouvelles avancées dans les systèmes de charge qui sont devenus de plus en plus efficaces.

L’enveloppe thermique d’un smartphone ne représente en réalité que 4 W environ, peut-être 5 W dans les plus grands appareils à facteur de forme de nos jours. Ce serait la dissipation d’énergie que le téléphone est capable de gérer avant que sa température n’atteigne des valeurs indésirables, à la fois pour une utilisation sûre pour le consommateur, ainsi que pour la sécurité des composants internes.

Cela met indirectement une limite physique fondamentale à la vitesse de charge d’un téléphone; la charge est toujours un transfert d’énergie avec perte – que ce soit d’un côté de la conversion de tension nécessaire du chargeur externe à la tension de charge de la batterie interne, ou des pertes de la résistance interne de la batterie elle-même. Même avec une efficacité de charge de 99%, un système de charge de 100 W signifierait une perte de 1 W et une dissipation de chaleur dans un téléphone. Étant donné qu’un téléphone n’a que cette enveloppe thermique fixe de 4 à 5 W – et que vous voudriez probablement pouvoir utiliser le téléphone pendant la charge, cela signifie que les systèmes de charge doivent être aussi efficaces que possible pour se rapprocher de cette marque de 100% pour être en mesure d’atteindre des vitesses de charge plus élevées.

Il existe de nombreuses solutions différentes pour augmenter l’efficacité de charge, mais le sujet d’aujourd’hui concerne une jeune start-up appelée Lion Semiconductor qui se spécialise dans une technologie de conversion de tension très différente pour les circuits intégrés de puissance, appelée convertisseurs de tension à condensateur commuté. La start-up basée à San Francisco connaît un succès croissant sur le marché mobile d’aujourd’hui, où elle permet aux fournisseurs de réaliser certains des téléphones à chargement rapide d’aujourd’hui.

La principale caractéristique d’un convertisseur à capuchon commuté par rapport aux circuits intégrés à convertisseur abaisseur plus traditionnels est qu’ils sont capables d’atteindre des rendements de conversion plus élevés avec une complexité de composants moindre. Un convertisseur abaisseur traditionnel, comme vous le trouverez dans n’importe quel rail d’alimentation PMIC ordinaire sur PC ou téléphone mobile, fonctionne par modulation d’onde de pouls d’une tension d’entrée dans une inductance qui stocke et « tamponne » l’énergie en une tension de sortie « lissée » inférieure. Le problème avec de telles conceptions est que l’on nécessite un grand espace PCB car les composants magnétiques peuvent être assez grands en taille physique. On peut réduire la taille de l’inductance en augmentant la fréquence de fonctionnement PWM, mais cela augmente alors la perte de puissance liée à la commutation sur le circuit. De nos jours, un convertisseur abaisseur typique offre une efficacité de 90 à 94%, ce qui n’est pas suffisant pour des cas d’utilisation tels que la charge rapide à haute puissance.

Une conception à capuchon commuté élimine les composants magnétiques et commute simplement sa puissance d’entrée en un petit nombre de condensateurs, ce qui réduit considérablement la perte de puissance de plusieurs facteurs jusqu’à un facteur 4x. L’inconvénient d’un système à capuchon commuté est qu’il ne peut pas fonctionner comme un régulateur, ce qui signifie que sa conversion de tension est fixée à la conception, au lieu de la tension dynamique qu’un convertisseur abaisseur peut atteindre. Dans le sujet d’un smartphone, nous parlons principalement de conceptions de condensateurs commutés à diviseur de tension avec un rapport de conversion 2: 1 commun.

Comme indiqué, nous avons vu la charge rapide devenir un point de différenciation marketing clé pour divers fournisseurs de smartphones de l’industrie. Principalement, nous avons vu une tonne de pression de la part de fournisseurs chinois qui, apparemment, essayaient de se surpasser en termes de vitesses de charge réalisables sur un taux presque semestriel. Cette poussée agressive a obligé les technologies de charge à innover à mesure qu’elles se rapprochent des limites de ce qui est physiquement possible.

Le plus souvent, votre tension d’entrée filaire typique se situait autour de 5V – avec un autre système de charge rapide fonctionnant à d’autres tensions plus élevées telles que 9V afin de contourner la limite actuelle des câbles USB. Ces chargeurs à tension fixe alimenteraient le téléphone, passeraient par un simple circuit de protection contre les surtensions et seraient convertis de leur tension d’entrée en tension de charge de la batterie au lithium (généralement autour de 4,4 V) par un convertisseur abaisseur. L’efficacité de conversion ici n’est généralement pas trop élevée à environ 92% d’efficacité, ce qui signifie que pour un système de 18 W, cela entraînerait une perte de dissipation de 1,2 W à l’intérieur du téléphone. La perte de conversion serait encore plus grande pour les systèmes de charge sans fil qui fonctionnent à des tensions plus élevées.

Les téléphones de nouvelle génération ont essayé de résoudre cette limitation de conversion de puissance en déplaçant simplement les circuits principaux de régulation de tension et de conversion à l’extérieur du téléphone. L’USB PPS (alimentation programmable) est la nouvelle norme la plus répandue qui permet aux chargeurs réels de réguler leur tension de sortie de manière précise. Essentiellement, cela élimine le problème de la dissipation de puissance limitée d’un téléphone, mais nous devons ajouter une certaine complexité aux circuits de charge internes du téléphone. Parce que nous sommes toujours limités par les courants du câble USB, pour obtenir une puissance d’entrée plus élevée, la tension d’entrée avec un circuit PPS ou à tension de sortie variable est toujours supérieure à la tension nominale de la batterie au lithium, la plupart du temps à un rapport 2: 1 .

Une telle implémentation qui précède la spécification USB PD PPS est les systèmes OppVO SuperVOOC ou OnePlus Dash Charge qui ont des chargeurs qui suivent la tension actuelle de la batterie, le plus souvent à un rapport de tension doublé de 2: 1. Pour le contexte, une batterie au lithium déchargée a généralement une tension d’environ 3,8 V alors qu’elle est complètement chargée, elle mesure à 4,3-4,4 V. Le chargeur suit ici la courbe de tension croissante pendant la charge, par exemple d’un point de départ de 7,6 V à une tension complètement chargée de près de 8,8 V.

C’est ici que les convertisseurs à capuchon commutés entrent en jeu, réduisant cette tension d’entrée doublée à la tension normale de 3,8-4,4 V dont la batterie a besoin. Le gain ici est qu’au sein du téléphone, au lieu d’avoir une efficacité de conversion de 92%, nous avons maintenant une efficacité de conversion de 98%.

Ce gain peut également être notable pour les nouveaux systèmes de charge rapide sans fil qui fonctionnent à des tensions d’entrée encore plus élevées telles que 20V. En utilisant un convertisseur 4: 2, les téléphones sont capables de diviser efficacement cette tension de fonctionnement une fois de plus avant qu’une autre division ne la réduise à la tension de fonctionnement de la batterie. En substance, un système de charge sans fil de 30 W n’aurait qu’une perte totale de 1,2 W dans le téléphone.


Source: TechInsights Xiaomi Mi 10 Teardown

Lion Semi a une telle conception avec Xiaomi, étant utilisé comme CI de conversion de charge sans fil dans les téléphones plus récents tels que la série Mi 10.

Certains fournisseurs ont opté pour des systèmes de charge encore plus exotiques afin d’atteindre des vitesses de charge encore plus élevées. Les systèmes de batteries 2S tels qu’utilisés par Oppo utilisent deux batteries connectées en série. Cela permet d’éliminer tout type de conversion de tension dans le téléphone pendant la charge, et le circuit intégré du chargeur ne contrôle ici que le courant d’entrée, atteignant une efficacité de charge de 99%.

C’est ainsi, par exemple, que les nouveaux téléphones Oppo peuvent atteindre une puissance de charge de 60 W sans surchauffer les téléphones. Le problème avec une telle solution à double batterie est que, tout en résolvant le problème de puissance de charge, les composants du smartphone et les PMIC sont conçus pour fonctionner avec des tensions de fonctionnement normales de la batterie au lithium, il est donc nécessaire de convertir la tension de série supérieure des deux batteries en une tension régulière, réintroduisant une perte d’efficacité de 2%, cette fois pas pendant la charge, mais pendant le fonctionnement normal du téléphone. Essentiellement, si Oppo annonce 4000mAh dans un tel téléphone, il ne peut effectivement utiliser que ~ 3920mAh (@ 98% d’efficacité) car le reste n’est jamais « utilisable » par le téléphone à part être perdu en conversion. En substance, c’est un compromis entre la vitesse de charge et la capacité de la batterie du téléphone.

Dans l’ensemble, la charge rapide est une fonctionnalité pratique à ajouter à un smartphone car elle est relativement peu complexe en termes d’ajout à un design, et elle résout le problème d’anxiété de la batterie en pouvant recharger votre téléphone en très peu de temps. temps.

Les inconvénients continuent d’être que ces nouveaux systèmes de charge rapide évoluent à un rythme beaucoup plus rapide que ce que la technologie de batterie est capable de supporter, et entraîneront une dégradation plus grave de la capacité au fil du temps. Les chiffres courants de l’industrie sont d’environ 70% de charge sur 600 cycles avec des vitesses de charge pouvant atteindre 2-3 ° C (Coulomb).

Lion Semiconductor, tout en étant le plus petit fournisseur sur le terrain, n’est certainement pas le seul à proposer de nouvelles solutions à capuchon commuté à haute efficacité sur le marché, car nous voyons également des solutions de grands fournisseurs historiques tels que Dialog. Alors que les consommateurs deviennent de plus en plus exigeants vis-à-vis de ces systèmes de charge rapide, nous assisterons probablement à une adoption plus large de ces technologies pour améliorer l’efficacité de charge de l’électronique grand public au-delà des seuls smartphones.