USB-C和無線充電帶來的充電技術(shù)變革

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：介紹了當(dāng)前部分USB-C及無線充電技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)解決方案。

　　近兩年，隨著數(shù)據(jù)傳輸量的不斷增大，以及筆記本、平板、手機等主流硬件的不斷革新，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健⑺俣?、接口厚度等方面提出了更高的要求，相關(guān)傳輸協(xié)議也得以進一步發(fā)展，因而也有了當(dāng)下諸多廠商共推的USB Type-C(也稱USB-C)及無線充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

USB-C

USB-C概念述及Cypress的方案

　　USB-C的高集成度

　　USB-C型接口由USB-IF組織制定，早在2014年就得到了包括蘋果、谷歌、英特爾等廠商認可，相繼在2015年推出相關(guān)產(chǎn)品。相較各類傳統(tǒng)USB接口，USB-C具有小尺寸、高集成度、使用方便的優(yōu)秀特性。其中，高集成度是指USB-C 接口集數(shù)據(jù)傳輸、供電和視頻為一體。

　　在USB-C中對數(shù)據(jù)和供電定義了3種角色，分別是DRP(Dual-Role-Port，雙向接口)、 DFP(Downstream Facing Port，數(shù)據(jù)下行接口)、UFP(Upstream Facing Port，數(shù)據(jù)上行接口)，同時還保留了Power Source/ Sink 的概念。

　　USB-C將數(shù)據(jù)角色和供電角色進行了分離，意味著一個端口數(shù)據(jù)和供電的方向可以相同也可以相反。USB PD協(xié)議讓端口的兩種身份(數(shù)據(jù)和供電)可以自由組合，即一個端口可以是數(shù)據(jù)的主機，電源上卻做受電角色。而傳統(tǒng)的USB，數(shù)據(jù)和供電的身份是綁定的。這樣給應(yīng)用帶來很大的靈活性。

　　IHS預(yù)計2019年基于USB-C的設(shè)備出貨量將超過20億個，占40%的USB總市場容量(TAM)。據(jù)ABI Research，到2020年約一半的智能手機和93%的筆記本電腦將含USB-C互聯(lián)。

　　USB-C一共支持三種協(xié)議，從新到舊分別是 Thunderbolt 3、USB 3.1/3.0 和 USB 2.0。支持高級協(xié)議的設(shè)備(包括 USB-C 母口硬件產(chǎn)品和公口數(shù)據(jù)線)，均可以前向兼容;僅支持低級協(xié)議的設(shè)備，不能后向兼容。我們在市面上看到的大部分 USB-C 設(shè)備，包括帶有 USB-C 母口的電腦、平板、移動硬盤或手機以及 USB-C 公口的數(shù)據(jù)線，大多數(shù)是 USB 3.1 的。

　　USB-C在手機市場將全面普及

　　USB-C集USB數(shù)據(jù)、視頻以及充電于一個端口，通過角色定義可以把數(shù)據(jù)和供電方向分別定義，支持正反插，接口非常小，這些特點使得USB-C在短期內(nèi)引爆全球PC和手機市場。從已經(jīng)發(fā)布的產(chǎn)品來看，所有的主流PC品牌，包括Apple、HP、DELL、Lenovo每年都有數(shù)十個筆記本型號支持USB-C，周邊的設(shè)備包括dongle(適配器)、Dock(擴展塢)、cable(線纜)等也在全面發(fā)力，不斷有USB-C新產(chǎn)品推出;手機市場上，iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X、Moto Z等很多新產(chǎn)品也支持USB PD。2017年Qualcomm宣布QC4.0充電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)兼容USB PD3.0的快充協(xié)議。這為全功能的USB-C在手機市場上廣泛普及鋪平了道路。預(yù)計基于QC4.0 的手機2018年將會在國內(nèi)上市。

　　USB-C在手機市場上的全面普及，將是2018年的新亮點。帶有PD 功能的USB-C應(yīng)用在手機上，將給消費者帶來前所未有的體驗：統(tǒng)一的USB-C接口，PPS(Programmable Power Supply，可編程電源)快速而安全地充電，全球不同品牌的充電器會在PD協(xié)議的基礎(chǔ)上實現(xiàn)通用，提供安全的充電功能。如果加入Display Port(DP)功能，還可以把手機的視頻信號通過USB-C直接輸出到外圍顯示設(shè)備。

　　USB-C技術(shù)方面， USB PD3.0定義的PPS充電，即所謂的“直充”技術(shù)，將會是一個新寵。它支持3 V到11 V的直充(無需升壓)，步進電壓階梯為20 mV。 很多充電器廠商都在研發(fā)滿足新的PD3.0 (QC4.0) 標(biāo)準(zhǔn)的充電器。基于這一技術(shù)，移動電源也會有大量新的設(shè)計。

　　Cypress 的USB C系列產(chǎn)品——CCGx

　　Cypress 所有的產(chǎn)品都帶有PD功能，涵蓋主機(包括PC和手機)、線纜、Dock、Dongle、充電器和移動電源在內(nèi)的各類應(yīng)用領(lǐng)域。Cypress的USB-C產(chǎn)品代號為CCGx。從最早的CCG1 到現(xiàn)在的CCG5， 以及專門為充電應(yīng)用而設(shè)計的CCG3PA，所有芯片都已被大客戶的量產(chǎn)產(chǎn)品驗證。其中：

　　1)主機host設(shè)計可以采用CCG2、CCG3、CCG4、CCG5;

　　2)Cable 包括雷電Cable，可以采用CCG2、CCG3;

　　3)Dongle 和Dock可以選擇CCG2、CCG3、CCG3、CCG5;

　　4)充電器、移動電源，以及各類和充電相關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品可以選CCG3PA。

USB-C最新發(fā)展動向

　　關(guān)于USB-C技術(shù)，我們看到以下4個主要發(fā)展動向：

　　1)USB供電(PD)標(biāo)準(zhǔn)的最新版本增加了可編程電源(PPS)功能。這簡化了實施各種高速充電和供電方案的系統(tǒng)要求和成本。連接器現(xiàn)存的較高電壓也推動了新器件需保護敏感的高速數(shù)據(jù)線免受潛在破壞性條件影響的需求。

　　2)USB-A連接器一直是一些有限功率和經(jīng)常充電的數(shù)據(jù)解決方案。USB-C連接器提供的更高功率和數(shù)據(jù)功能使其成為廣泛應(yīng)用的電源和數(shù)據(jù)鏈路。我們看到許多終端產(chǎn)品(包括智能手機、移動配件、筆記本電腦、USB集線器和擴展塢)迅速采用了USB-C連接器。 自然效應(yīng)是工程師正在尋找經(jīng)過優(yōu)化用于特定應(yīng)用的接口方案。這個僅一個器件用于所有應(yīng)用的方法正在迅速變化 。

　　3) 另一重要的趨勢是汽車USB-C，我們看到很多的新設(shè)計開始用于汽車。

　　4)數(shù)據(jù)速率正在迅速增快。 最新的USB SuperSpeed設(shè)備將使用兩條SuperSpeed線以高達20 GB/s的速度工作。這增加了可以使用一個USB-C接口的應(yīng)用數(shù)量?，F(xiàn)代化的筆記本電腦擴展塢正迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€小型的USB集線器，為所有與平板電腦/筆記本電腦相連接的設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)。提供電源和數(shù)據(jù)的單個插頭設(shè)備正在改進用戶體驗和工業(yè)設(shè)計。

　　安森美USB-C產(chǎn)品

　　針對各種發(fā)展動向，安森美半導(dǎo)體正在快速擴增完整的USB接口方案組合。 最近增加的包括汽車方案(FUSB302BV)、非微控制器接口(FUSB303)、USB-PD-PPS控制器(FUSB307)、多引腳高壓保護(FSUSB242)等。 安森美半導(dǎo)體還提供多種新型高速方案，包括ESD保護和多路復(fù)用器和轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，以提高信號質(zhì)量。此外還提供應(yīng)用于充電寶的同類優(yōu)秀的集成方案，符合最新的USB-C及USB PD規(guī)格。

無線充電

　　現(xiàn)階段無線充電存在四種不同的商用技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)、電磁共振技術(shù)、電場耦合技術(shù)，而主要用在手機無線充電的技術(shù)是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù)。同時，在家電及電動汽車上，無線充電也有比較廣闊的前景。

　　無線充電接收器將同時支持WPC 和Airfuel技術(shù)

　　電感充電技術(shù)依然是主流的無線充電技術(shù)，其主要采用無線充電聯(lián)盟Qi標(biāo)準(zhǔn)，意法半導(dǎo)體很早就加入了這個標(biāo)準(zhǔn)組織。無線充電器分為給穿戴設(shè)備充電的低功率充電器，給手機、平板、筆記本，甚至汽車充電的大功率充電器。智能手機依然是無線充電技術(shù)的主流目標(biāo)應(yīng)用，同時智能手機還吸引更多的消費電子產(chǎn)品采用Qi標(biāo)準(zhǔn)。

　　WPC/Qi聯(lián)盟成員的數(shù)量增加到421家公司，意法半導(dǎo)體也參與了包括Airfuel(諧振充電)在內(nèi)的充電標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的研發(fā)。其中，Airfuel聯(lián)盟專注的是諧振式無線充電技術(shù)，用戶體驗相對來說更好。未來的接收器解決方案將同時支持WPC和Airfuel充電技術(shù)。

　　意法半導(dǎo)體的發(fā)射器芯片STWBC-EP支持Qi Extended Power(15 W)，給智能手機和平板充電更快。STWLC33JR是一個15 W的多模Qi/AirFuel電磁感應(yīng)式無線充電接收器芯片，擁有 Qi和Airfuel聯(lián)盟的認證，既可以是發(fā)射端芯片，也可以是接收端芯片，用寄存器配置收發(fā)模式，外部用相同的線圈。

　　參考文獻：

　　[1]譚勝淋.淺談工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與認證及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2016(2-3):30-33.

　　[2]魏佳.解密USB-C升壓-降壓電池充電[J].電子產(chǎn)品世界,2016(7):25-27.

　　[3]Meng He.無線充電技術(shù)的發(fā)展歷路[J].電子產(chǎn)品世界,2016(7):28-30.

　　[4]溫梓慎,崔玉龍,范好亮.自變模無線電能傳輸全數(shù)字鎖相環(huán)[J].電子產(chǎn)品世界,2017(6):58-61.

　　[5]焦來磊,荊蕾.電動汽車無線充電系統(tǒng)設(shè)計方法研究[J].電子產(chǎn)品世界,2017(7):51-54.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。