作者：Bob Card， 安森美半導(dǎo)體先進(jìn)方案部營銷經(jīng)理

如果最近的5G智能型手機(jī)具有更大的屏幕、更大的鋰離子電池容量和「快速充電」(快充)，正預(yù)言著未來手機(jī)的發(fā)展，那么USB-C(USBType-C)的PD3.0規(guī)范，尤其是可編程設(shè)計(jì)電源(PPS)，將成為USB供電的首選。

USB自1996年問世以來，在行動(dòng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸、充電和供電的標(biāo)準(zhǔn)化方面占有史無前例的領(lǐng)導(dǎo)地位。USB技術(shù)的最大進(jìn)展發(fā)生在2013年至2016年，當(dāng)時(shí)USB委員會(huì)統(tǒng)一批準(zhǔn)：

1:USB3.1SuperSpeed+Gen1(5Gbps)和Gen2(10Gbps)數(shù)據(jù)通訊

2:PowerDelivery2.0或PD，最高100W或20V/5A

3:TypeC連接器(1.2版)

圖1：USB的演進(jìn)

TypeC連接器有24個(gè)接觸點(diǎn)(兩排各12個(gè)接觸點(diǎn))，設(shè)計(jì)用以處理高達(dá)100W、20V/5A的電流，以非常緊湊的外形尺寸(僅2.4mm高度)提供可正反逆插的插頭插入和附件方向檢測，為摒棄我們大家都討厭的纏結(jié)的「鼠跡網(wǎng)」(ratsnest)式的傳統(tǒng)電纜帶來了希望。

100W…真的嗎？

從7.5W充電(USB3.0)到100W(USB3.1)是個(gè)很大的突破。也許有人會(huì)問，當(dāng)大多數(shù)行動(dòng)裝置使用15W–45W充電器正常運(yùn)作時(shí)，誰真正需要100W？然而，如果過去的情況能說明未來的趨勢，那么未來的創(chuàng)新將比我們想象的更快消耗100W。

充電和供電很像供需經(jīng)濟(jì)學(xué)。這是一種共生的關(guān)系，如果需求不增長，則供給不會(huì)增加，但如果供給不增加，就不能滿足需求。將USB供電電源從7.5W提升至100W，只會(huì)使更多的裝置通過USB充電。

USB-CPD電力合約協(xié)議

在使用USB3.1和TypeC連接器之前，USB充電裝置通過D+和D-端子上的非數(shù)據(jù)訊息來識(shí)別USB充電端口。盡管此方法在7.5W以內(nèi)的功率下仍能很好地工作，但仍需要一種更精密、更強(qiáng)大的方法在USB來源(source)和USB接收端(sink)之間安全地傳輸達(dá)100W(20V/5A)的功率。

USB3.1、PD2.0和TypeC連接器共同通過source和sink之間的CC線導(dǎo)入了雙向、單線協(xié)議，橫跨source和sink之間的CC線(圖2)，具有全面的訊息傳遞功能。該P(yáng)D訊息傳遞的一種用途是協(xié)商電力合約。電力合約的協(xié)議很像從菜單上訂購餐廳的食物。在使用隱式合約(最大15W)連接source和sink之后，如果兩個(gè)端口都具有PD功能，則必須建立顯式合約或PD電力合約(最高100W)。

圖2：USB-C/PD電力合約

所有合規(guī)的>3ATypeC電纜都必須包含電子標(biāo)記的電纜或emarker。因此，如果在電纜中檢測到emarker，具有>3A能力的訊號(hào)源可能要做的第一件事就是向emarker發(fā)送「發(fā)現(xiàn)身份」(DiscoverIdentity)或SVID訊息。Sources和Sinks在開始接收到訊息時(shí)，會(huì)對SOP(數(shù)據(jù)封包開始StartofPacket)做出回應(yīng)。為了避免沖突，emarker在開始接收到訊息時(shí)對SOP做出回應(yīng)。

一旦Sources得知電纜是否支持>3A的能力，它便會(huì)廣告其V/I功能，就像餐廳的點(diǎn)菜單一樣。然后，sink請求廣告功能之一，類似餐廳的客人。如果請求是可接受的，則Sources將提供合約約定的電力。每次發(fā)送訊息時(shí)，訊息接收方都會(huì)向訊息發(fā)送方發(fā)送一條”GoodCRC”訊息，通知發(fā)送方該訊息已接收無誤。

USB-CPD2.0vs.PD3.0

PD2.0允許最多7個(gè)功率數(shù)據(jù)對象(PDO)，用于揭示source埠的電源能力或sink的電力需求，通過USBTypeC、CC針腳在PD訊息中傳輸。相形之下，PD3.0、PPS提供圖3所示的「電壓和電流范圍」PDO。PPS的優(yōu)勢在于，與固定PDO相較，sink可以更加精細(xì)的粒度來請求電壓/電流。這有助于優(yōu)化source和sink之間的充電效率。

圖3：PD2.0與3.0比較

5G智能型手機(jī)電池尺寸

最近發(fā)布的一款5G智能型手機(jī)配備6.9吋大屏幕和5,000mAh鋰離子電池，與以前的型號(hào)相比，容量增加了25％。屏幕尺寸和5G都對電池尺寸的增加起到一定的作用。電池尺寸增加25％意味著需要AC-DC旅行配接器(TA)提供更多的電量，才能繼續(xù)宣傳「快充」能力。而USB-CPPS是實(shí)現(xiàn)這功能的首選。

快充

過去，鋰離子充電在0.7充電速率(C-rate)下安全完成(C-rate是簡單的充電電流除以電池容量)。例如，0.7C-rate的充電電流對1,000mAh電池來說是700mA。但是，通常將一塊空電池從0％充電到50％的充電狀態(tài)(SoC)需要約45分鐘(圖4)的充電時(shí)間(TTC)。這并不是那么快，而且，您不能簡單地透過增加電流來改善TTC。當(dāng)一個(gè)電池的數(shù)據(jù)表上標(biāo)示它的充電0.7C-rate時(shí)，以1C-rate充電會(huì)導(dǎo)致電池過早老化或可能導(dǎo)致永久性損壞。根據(jù)其數(shù)據(jù)表，鋰離子電池必須在至少500次充電循環(huán)周期后，必須保留至少80％的原始容量。

TTC更快意味著更多電量

為了改善TTC，電池制造商正在設(shè)計(jì)大于1C-rate的充電電池，或更快的充電。這主要是為了降低電池的內(nèi)部阻抗，以延長充電曲線在電池電壓達(dá)到最大電壓和充電曲線轉(zhuǎn)換到恒壓(CV)模式之前保持在恒定電流(CC)模式的時(shí)間(假設(shè)您從空電池開始充電)。如圖5所示，0-50％的SoCTTC，以1C-rate充電可比0.7C-rate充電縮短15分鐘，以1.5C-rate充電甚至可以更快，可縮短至22分鐘。不過，5000mAh電池的1.5C-rate需要進(jìn)行7.5A充電和32.6W(4.35Vx7.5A)峰值充電功率，這在一個(gè)小尺寸空間里是很多的電量。

圖4：充電率與充電時(shí)間

盡管不了解最近發(fā)布的5G智能型手機(jī)內(nèi)部的實(shí)際充電情況，但它確實(shí)配備了一個(gè)25WPPS充電器，并接受45WPPS充電器配件。如果您要使用45W旅行配接器，并假設(shè)從墻壁到電池的能效在80％左右，則約有36W電量進(jìn)入電池。這與計(jì)算出的32.6W所需的22分鐘、0％至50％SoC的充電時(shí)間相差不大，如上圖5所示。

值得一提的是，由于USB-C連接器的最大電流為5A，為了達(dá)到7.5AIBAT，在5G手機(jī)內(nèi)部的TypeC連接器和電池充電器之間需要一個(gè)「2分頻」充電泵(圖5)。例如，TA可能輸出10V/4A，而電荷泵將輸出5V/8A(假設(shè)理想的功率損耗)。有時(shí)將其稱為高電壓，低電流(HVLC)。正如物理學(xué)告訴我們的那樣，功率耗散為I2R，因此將功率從TA傳輸?shù)绞謾C(jī)(?1m電纜)，HVLC比低壓大電流(LVHC)更具「能效優(yōu)勢」。隨著TypeC連接器的問世，USB-CPD將VBUS的最大電壓從5V提高到20V，促成了HVLC的方式。

圖5：5G智能型手機(jī)

一探筆記本電腦PD2.0流量

您可能無法測量5G智能型手機(jī)內(nèi)部電池充電器和電池之間的實(shí)際IBAT電流，但可使用TotalPhase的PD探測器(sniffer)測量TA和5G智能型手機(jī)之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。但在執(zhí)行此操作前，您可在筆記本電腦和FUSB330760W評估板(EVB)Source之間偵探VBUS/IBUS的PD2.0，如圖6所示。

在此展示中，筆記本電腦PD2.0sink和FUSB3307EVBPD3.0Source之間使用一條5A電纜。TotalPhase探測器與FUSB3307EVB和5A電纜串聯(lián)插入。連接后，F(xiàn)USB3307EVB以四個(gè)固定PDO和三個(gè)PPS(增強(qiáng)型)PDO的形式宣告其source能力。筆記本電腦請求使用20V/3A的固定PDO，但最多只需要1.5A。FUSB3307接受筆記本電腦的請求，電力合約完成。在圖7中，您可看到VBUS(紅色)從5V上升到20V，隨著筆記本電腦啟動(dòng)(從空電池開始)，動(dòng)態(tài)IBUS電流(藍(lán)色)上升到?1.3A或?30W。

一探5G智能型手機(jī)PD3.0PPS流量

從圖8和圖9來看，將筆記本電腦換成5G智能型手機(jī)，source換成100WFUSB3307PD3.0PPSEVB。5G智能型手機(jī)最初請求并獲得一個(gè)5V固定PDO，但約7秒鐘后，5G智能型手機(jī)請求并獲得一個(gè)PPS(3V至21V/5A)PDO。5G智能型手機(jī)立即進(jìn)入一個(gè)「算法」，即每隔210毫秒，將其請求的電壓(紅色)從8V遞增到9.28V，以40mV的步長遞增，同時(shí)在約7秒的時(shí)間內(nèi)將電流(藍(lán)色)從2A遞增(接收)到4A。在整個(gè)充電過程中，5G智能型手機(jī)持續(xù)與FUSB3307source進(jìn)行通訊。

PPS電流限制(CL)警報(bào)

安全是供電(PD)的一個(gè)重要方面。在圖10中，當(dāng)5G手機(jī)將請求的電源電壓(紅色)從8V增加到9.28V時(shí)，請求的最大工作電流為4A，F(xiàn)USB3307100Wsource向手機(jī)發(fā)送一條「警報(bào)」(Alert)訊息：告知已達(dá)到4A「電流限制」(CL)。

圖10：PPS電流限制警報(bào)(CL)

5G手機(jī)PD3.0與筆電PD2.0流量的比較

筆記本電腦表現(xiàn)出的PD2.0流量雖然有效，但相對簡單。在連接的第一秒內(nèi)，協(xié)商并授予了20V/1.5A電力合約，沒有觀察到進(jìn)一步的PD流量。帶PPS的5G智能型手機(jī)表現(xiàn)完全不同。5G智能型手機(jī)是精密算法的主控器，它會(huì)不斷與FUSB3307source通訊，指示它更改電壓輸出。實(shí)際上，PPS包括一個(gè)規(guī)定，在source和sink信息傳遞之間有一個(gè)最長15秒的「保持活動(dòng)」時(shí)間。因此，在PPS運(yùn)作時(shí)，source和sink在CC接觸點(diǎn)上保持穩(wěn)定的數(shù)字通訊。

5G智能型手機(jī)/FUSB3307在連接后約60秒左右觀察到峰值功率為37.68W(9.6V/3.925A)。這與以1.5C-rate為電池充電所需的估計(jì)功率相差不大，或者說在電池上充電所需的功率為32.6W，才能達(dá)到22分鐘左右的快速TTC(0％至50％SoC)。

高效快充的“A、B、C”和PPS

5G和更大的屏幕在推動(dòng)智能型手機(jī)電池的增大，再加上客戶對「快充」的期待，對旅行配接器的功率要求更高，達(dá)到45W。然而，功率耗散的增加將以熱量的形式追蹤這種功率的增加。因此，能效變得越來越關(guān)鍵，這就是PPS的作用。

如果我們檢閱圖11的通用「墻到電池」(WalltoBattery)鋰離子充電方塊圖，目標(biāo)是通過PMIC為系統(tǒng)供電，并通過功率路徑FET將1S電池從空充電量(?3V)充至滿電量(4.35V)。無論采用哪種技術(shù)(開關(guān)、線性或旁路)，如果電池充電器的輸入電壓(B)略高于其輸出電壓(C)或VBAT，則電池充電器總是會(huì)以更高能效工作。而更復(fù)雜的是，VBAT始終是個(gè)變化的目標(biāo)，原因有二：

1)電池電壓在充電曲線從空電量到充滿的過程中會(huì)上升；

2)電池電壓隨著異步負(fù)載的變化而升降。

為了優(yōu)化能效，旅行配接器(TA)輸出(A)電壓需要由sink的MCU嚴(yán)格控制，現(xiàn)在MCU成為「充電算法主控器」。在通過電量計(jì)讀取VBAT和檢測電荷泵VOUT之間，MCU策略管理器(PolicyManager)可通過CC接腳以20mV粒度(PPS)嚴(yán)格控制帶有PD協(xié)議訊息的TAVOUT。

添加PPS后，行動(dòng)裝置現(xiàn)在可以更快、更安全、更高效地為更大的電池充電。例如安森美半導(dǎo)體的FUSB3307評估板(EVB)支持5G智能型手機(jī)的精密PPS充電算法。

圖11：高效快充的A、B、C

帶DC輸入的評估板

FUSB3307EVB接受4.5V至32V直流(DC)輸入，并提供5V至20VUSBPD輸出，符合PD2.0和PD3.0規(guī)范，包括可編程設(shè)計(jì)電源(PPS)。FUSB3307是基于狀態(tài)機(jī)的PD控制器和TypeC埠控制器。因此，不需要MCU或韌體開發(fā)。沒有韌體也意味著防篡改，這在醫(yī)療應(yīng)用中是有利的。只需將其焊入，它就可自主運(yùn)行。FUSB3307狀態(tài)機(jī)包括PDPolicyManager，并用FUSB3307CATH輸出接腳驅(qū)動(dòng)Comp輸入來控制安森美半導(dǎo)體的NCV81599降壓升壓。FUSB3307還自主控制VBUSFET。

圖12：帶DC輸入的FUSB3307EVB

帶AC輸入的FUSB3307EVB

另外，F(xiàn)USB3307可用作帶有AC輸入的PD3.0source。FUSB3307是基于狀態(tài)機(jī)的USB-CPD3.0埠控制器，通過FODM8801BV光耦合器，用CATH輸出控制NCP1568FB輸入來調(diào)節(jié)VBUS(5V至20V)。同樣，F(xiàn)USB3307自主控制VBUSFET。

總結(jié)

PPS具備一切：功率、安全和高能效。USB-C/PD3.0的極精細(xì)的V/I粒度，高達(dá)100W(20V/5A)PPS可實(shí)現(xiàn)更高能效，用于5G智能型手機(jī)快充(0至50％SoC約22分鐘)。PPS還支持”WalltoBattery”的控制回路架構(gòu)，其中USB-C/PDsink通過TypeC連接器的CC觸點(diǎn)上的雙向單線協(xié)議，采用智慧從屬旅行配接器，成為精密而安全的充電算法的主控器。PPSsource在恒壓(CV)模式(默認(rèn))或電流限制(CL)模式下運(yùn)作，并在更改模式時(shí)透過警報(bào)信息通知sink。5G智能型手機(jī)采用PPS的事實(shí)清楚地表明，PPS是首選，并將繼續(xù)存在。

編輯：hfy