USB PD在移動(dòng)設(shè)備快速充電中的新興應(yīng)用
作者 / 李勇博士 Dialog半導(dǎo)體公司系統(tǒng)和應(yīng)用高級(jí)總監(jiān)
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/391166.htm摘要:探討用于移動(dòng)設(shè)備快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰(zhàn),以及為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案如何解決這些挑戰(zhàn)。
智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的快速充電方式是當(dāng)前增長(zhǎng)最快的電源應(yīng)用之一。新興的USB PD技術(shù)為移動(dòng)設(shè)備快速充電提供了卓越的性能,同時(shí),它也給電源適配器帶來(lái)了設(shè)計(jì)和BOM成本上的挑戰(zhàn)。
為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案可以幫助解決這些挑戰(zhàn)(如圖1)。它們專(zhuān)門(mén)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備USB PD等便攜式電源適配器進(jìn)行了優(yōu)化,能提供可靠、低成本的系統(tǒng)方案,并簡(jiǎn)化適配器設(shè)計(jì)。
在本文中,我們將討論用于移動(dòng)設(shè)備快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰(zhàn),以及為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案如何解決這些挑戰(zhàn)。
圖1顯示了移動(dòng)設(shè)備的AC/DC電源適配器的升級(jí)過(guò)程。
1 什么是快速充電
大多數(shù)手機(jī)和平板電腦都通過(guò)USB線充電。但是,USB指定電源電壓為5V,USB連接器有最大電流的物理上限。功率等于電壓乘以電流,更高的電壓可以帶來(lái)更多的充電功率而無(wú)需增加電流,因此快速充電的基本概念是動(dòng)態(tài)地配置電壓。系統(tǒng)從5V(USB電壓)開(kāi)始,移動(dòng)設(shè)備與充電器協(xié)商更高的電壓,然后移動(dòng)設(shè)備從5V切換到9V、12V、20V或其他電壓值。
2 關(guān)鍵挑戰(zhàn)
移動(dòng)設(shè)備的快速充電對(duì)電源適配器帶來(lái)了許多挑戰(zhàn),其中成本、安全性和各種快速充電協(xié)議是最大的挑戰(zhàn)。目前市場(chǎng)上有眾多不同的快速充電協(xié)議,包括高通Quick Charge 2.0/3.0(QC2.0/3.0)、聯(lián)發(fā)科技PumpExpress Plus(PE+ 1.0/2.0)、三星自適應(yīng)快速充電(AFC)、華為快速充電協(xié)議(FCP)、針對(duì)直充的華為超級(jí)充電協(xié)議(SCP)、其他OEM廠商專(zhuān)有協(xié)議、USB Power Delivery(USB PD 2.0, 3.0)、USB-IF可編程電源(PPS)、高通Quick Charge 4+(QC4+)等等。其他挑戰(zhàn)還包括:功率密度、恒壓恒流(CVCC)規(guī)范、效率、空載待機(jī)功耗、動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)、音頻噪聲、用戶體驗(yàn)和EMI / EMC共模噪聲等。
因此,理想的快速充電系統(tǒng)是能夠協(xié)商任何電流和任何電壓,不管協(xié)議如何,并克服電源適配器系統(tǒng)的各種挑戰(zhàn)。
3 USB PD和USB Type-C
USB Type-C是一種新型連接器技術(shù),可提供極大的擴(kuò)展能力。它提供22引腳,而Type-A/Type-B連接器僅提供4引腳。它可以替代電源插座(100W),提供用于USB PD的額外引腳和更高的額定電流3A-5A,而Type-B的額定電流僅為2A。
USB Type-C技術(shù)具有普遍通用性,且雙向可用,線纜兩端都是USB Type-C連接頭,并且連接頭的插入沒(méi)有上下之分。它適用于所有移動(dòng)、計(jì)算和電視應(yīng)用,并得到所有主要消費(fèi)類(lèi)OEM廠商的支持。而且,它比Type-A小得多,可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的設(shè)計(jì)。
4 USB PD 2.0 標(biāo)準(zhǔn)功能
USB PD是通過(guò)USB Type-C連接器上的配置通道引腳(CC1 / CC2)運(yùn)行的通信協(xié)議。USD PD 2.0通過(guò)USB PD供電數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)提供標(biāo)準(zhǔn)功能。標(biāo)準(zhǔn)PDO結(jié)構(gòu)允許多達(dá)7個(gè)分立電壓電平(與每步電流限制相關(guān))。有多種產(chǎn)品選項(xiàng),可以涵蓋具有不同系統(tǒng)功能的PDO。
5 USB PD 擴(kuò)展功能
USB PD 3.0向后兼容USB PD 2.0,并增加了直接充電功能。它為可編程電源(PPS)模式提供了一種新型增強(qiáng)供電數(shù)據(jù)對(duì)象(APDO)。移動(dòng)設(shè)備可以高精度地在規(guī)定范圍內(nèi)請(qǐng)求和控制電源適配器的輸出電壓,并實(shí)現(xiàn)可編程電流折返。它提供了一種新的支持直充和其他充電算法的機(jī)制。PPS需要20mV /step電壓分辨率(如圖2),最小電壓可降至3.3V。采用PPS設(shè)計(jì)的便攜式電源適配器可以直接為移動(dòng)設(shè)備內(nèi)的電池充電,包括智能手機(jī)。這有助于解決移動(dòng)設(shè)備端電源管理的散熱和成本方面的挑戰(zhàn)。
USB PD通過(guò)單根線纜提供更靈活的電力和數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多個(gè)外設(shè)優(yōu)化電源管理,并提供智能、靈活的系統(tǒng)級(jí)電源管理。
不過(guò),移動(dòng)設(shè)備的AC/DC快速充電存在一些限制。傳統(tǒng)的USB PD解決方案未對(duì)AC/DC電源進(jìn)行優(yōu)化;有些功能超出需求(例如音頻模式,雙向功率流)。它們通常是基于DSP或MCU的,其內(nèi)在控制器IC成本較高。它們需要許多外部元件和較高的系統(tǒng)BOM成本。他們還要求電源硬件工程師編寫(xiě)軟件或固件。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程通常很復(fù)雜,而且產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期也很長(zhǎng)。
6 首款為AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案
Dialog推出首款針對(duì)AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案(如圖3),該方案由iW1781(針對(duì)USB PD優(yōu)化的一次側(cè)控制器),iW676(針對(duì)直充和USB PD優(yōu)化的同步整流控制器)和iW656(USB PD2.0接口IC)組成。
為了推動(dòng)向USB PD 3.0 / PPS的演進(jìn),Dialog進(jìn)一步推出了iW656P和iW657P二次側(cè)接口IC。這兩款I(lǐng)C均支持USB PD 3.0和PPS協(xié)議。iW656P與iW656引腳兼容,具有14個(gè)引腳的iW657P提供電流檢測(cè)功能,可實(shí)現(xiàn)額外的保護(hù)。與一次側(cè)控制器iW1791結(jié)合,該芯片組組成了優(yōu)化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解決方案(如圖4)。
7 Dialog的關(guān)鍵AC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)
Dialog的關(guān)鍵AC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)如下。
? 具有數(shù)字峰值電流模式控制的反激拓?fù)?
? 緊湊的多級(jí)恒壓和恒流調(diào)節(jié),具有強(qiáng)大的保護(hù)功能;
? 獲得專(zhuān)利的自適應(yīng)多種模式PWM / PFM操作,可以平衡效率曲線,且不會(huì)產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的噪音;
? 獲得專(zhuān)利的恒定頻率谷值模式切換(VMS),實(shí)現(xiàn)最高效率(如圖5所示);
? 次級(jí)側(cè)無(wú)電流檢測(cè)電阻;
? 專(zhuān)用于快速充電,具有專(zhuān)利的二次側(cè)到一次側(cè)數(shù)字通信;
? 經(jīng)過(guò)優(yōu)化,可與同步整流器(SR)配合使用,效率最高,空載待機(jī)功耗低于20mW;
? 在典型18W 5V3A 9V2A時(shí),滿載效率90%,平均> 88%,10%負(fù)載> 82%,符合CoC Ver5 Tier2和DOE 6級(jí)(可能因不同電源板設(shè)計(jì)的不同多級(jí)CVCC配置文件而有所差異)。
8 為便攜式電源適配器簡(jiǎn)化和優(yōu)化的新型USB PD控制器
Dialog的iW656是第一款為便攜式電源適配器優(yōu)化的USB PD芯片。它消除了不適用于電源的功能,集成了NMOS VBUS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器,可降低系統(tǒng)成本。iW656覆蓋3~20 V的寬電壓范圍,通過(guò)了USB-IF認(rèn)證,經(jīng)過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)較低的控制器IC成本。通過(guò)提供具有不同PDO組合的多種產(chǎn)品選項(xiàng),可靈活地支持豐富的系統(tǒng)級(jí)功能。
iW656P / iW657P提供iW656的全部功能,并支持USB PD 3.0、高通QuickCharge 4+、USB PPS和直接充電。它提供低至10mV /step的VBUS 分辨率、板載VBUS / TJ / VSD測(cè)量、和增強(qiáng)的USB Type-C控制,包括對(duì)智能線纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測(cè)功能,可通過(guò)板載ADC測(cè)量次級(jí)電流,并與移動(dòng)設(shè)備通信,實(shí)現(xiàn)更智能的控制和保護(hù)。
圖6顯示了使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器的USB PD / PPS電源適配器設(shè)計(jì)示例。
這是單一PCB板實(shí)現(xiàn)完整的USB PD電源適配器設(shè)計(jì),無(wú)需子板,而傳統(tǒng)的解決方案中通常需要用子板來(lái)托管基于MCU的USB PD控制器。該方案將外部元件數(shù)量降到了最低,實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的電源設(shè)計(jì),并且無(wú)需編寫(xiě)軟件或固件。其額定功率為27W。如圖7所示,該設(shè)計(jì)采用5個(gè)PDO:5V3A、6V3A、7V3A、9V3A、12V2.25A。如圖8所示,一進(jìn)入PPS模式后,該電源適配器生成的輸出電壓具有非常精細(xì)的分辨率(小于20mV /step)。
9 強(qiáng)大的保護(hù)功能
Dialog的解決方案提供強(qiáng)大的保護(hù)功能,包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、輸出短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、VBUS開(kāi)關(guān)輸出短路保護(hù)(OSP)、主動(dòng)放電、檢測(cè),以及與移動(dòng)設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制和保護(hù)。
此外,它還提供雙層線纜保護(hù):D+ / D- / CC1 / CC2過(guò)壓保護(hù)(iW656 / 656P / 657P)和SmartDefender先進(jìn)打嗝技術(shù)(iW1781 / 1791)。
本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第9期第27頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。
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