USB PD在移動設備快速充電中的新興應用

作者：李勇時間：2018-08-27 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：探討用于移動設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)。

作者 / 李勇博士 Dialog半導體公司系統(tǒng)和應用高級總監(jiān)

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201808/391166.htm

摘要：探討用于移動設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)。

　　智能手機等移動設備的快速充電方式是當前增長最快的電源應用之一。新興的USB PD技術為移動設備快速充電提供了卓越的性能，同時，它也給電源適配器帶來了設計和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)。它們專門針對移動設備USB PD等便攜式電源適配器進行了優(yōu)化，能提供可靠、低成本的系統(tǒng)方案，并簡化適配器設計。

　　在本文中，我們將討論用于移動設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顯示了移動設備的AC/DC電源適配器的升級過程。

1 什么是快速充電

　　大多數(shù)手機和平板電腦都通過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更多的充電功率而無需增加電流，因此快速充電的基本概念是動態(tài)地配置電壓。系統(tǒng)從5V(USB電壓)開始，移動設備與充電器協(xié)商更高的電壓，然后移動設備從5V切換到9V、12V、20V或其他電壓值。

2 關鍵挑戰(zhàn)

　　移動設備的快速充電對電源適配器帶來了許多挑戰(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)、三星自適應快速充電(AFC)、華為快速充電協(xié)議(FCP)、針對直充的華為超級充電協(xié)議(SCP)、其他OEM廠商專有協(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、空載待機功耗、動態(tài)負載響應、音頻噪聲、用戶體驗和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，可提供極大的擴展能力。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有上下之分。它適用于所有移動、計算和電視應用，并得到所有主要消費類OEM廠商的支持。而且，它比Type-A小得多，可以實現(xiàn)更小尺寸的設計。

4 USB PD 2.0 標準功能

　　USB PD是通過USB Type-C連接器上的配置通道引腳(CC1 / CC2)運行的通信協(xié)議。USD PD 2.0通過USB PD供電數(shù)據(jù)對象(PDO)提供標準功能。標準PDO結構允許多達7個分立電壓電平(與每步電流限制相關)。有多種產(chǎn)品選項，可以涵蓋具有不同系統(tǒng)功能的PDO。

5 USB PD 擴展功能

　　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供電數(shù)據(jù)對象(APDO)。移動設備可以高精度地在規(guī)定范圍內(nèi)請求和控制電源適配器的輸出電壓，并實現(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設計的便攜式電源適配器可以直接為移動設備內(nèi)的電池充電，包括智能手機。這有助于解決移動設備端電源管理的散熱和成本方面的挑戰(zhàn)。

　　USB PD通過單根線纜提供更靈活的電力和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多個外設優(yōu)化電源管理，并提供智能、靈活的系統(tǒng)級電源管理。

　　不過，移動設備的AC/DC快速充電存在一些限制。傳統(tǒng)的USB PD解決方案未對AC/DC電源進行優(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軟件或固件。其系統(tǒng)設計流程通常很復雜，而且產(chǎn)品設計周期也很長。

6 首款為AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案

　　Dialog推出首款針對AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案(如圖3)，該方案由iW1781(針對USB PD優(yōu)化的一次側(cè)控制器)，iW676(針對直充和USB PD優(yōu)化的同步整流控制器)和iW656(USB PD2.0接口IC)組成。

　　為了推動向USB PD 3.0 / PPS的演進，Dialog進一步推出了iW656P和iW657P二次側(cè)接口IC。這兩款IC均支持USB PD 3.0和PPS協(xié)議。iW656P與iW656引腳兼容，具有14個引腳的iW657P提供電流檢測功能，可實現(xiàn)額外的保護。與一次側(cè)控制器iW1791結合，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的關鍵AC/DC電源轉(zhuǎn)換技術

　　Dialog的關鍵AC/DC電源轉(zhuǎn)換技術如下。

　　? 具有數(shù)字峰值電流模式控制的反激拓撲;

　　? 緊湊的多級恒壓和恒流調(diào)節(jié)，具有強大的保護功能;

　　? 獲得專利的自適應多種模式PWM / PFM操作，可以平衡效率曲線，且不會產(chǎn)生聽得見的噪音;

　　? 獲得專利的恒定頻率谷值模式切換(VMS)，實現(xiàn)最高效率(如圖5所示);

　　? 次級側(cè)無電流檢測電阻;

　　? 專用于快速充電，具有專利的二次側(cè)到一次側(cè)數(shù)字通信;

　　? 經(jīng)過優(yōu)化，可與同步整流器(SR)配合使用，效率最高，空載待機功耗低于20mW;

　　? 在典型18W 5V3A 9V2A時，滿載效率90%，平均> 88%，10%負載> 82%，符合CoC Ver5 Tier2和DOE 6級(可能因不同電源板設計的不同多級CVCC配置文件而有所差異)。

8 為便攜式電源適配器簡化和優(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開關驅(qū)動器，可降低系統(tǒng)成本。iW656覆蓋3~20 V的寬電壓范圍，通過了USB-IF認證，經(jīng)過優(yōu)化實現(xiàn)較低的控制器IC成本。通過提供具有不同PDO組合的多種產(chǎn)品選項，可靈活地支持豐富的系統(tǒng)級功能。

　　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測量、和增強的USB Type-C控制，包括對智能線纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測功能，可通過板載ADC測量次級電流，并與移動設備通信，實現(xiàn)更智能的控制和保護。

　　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電源適配器設計示例。

　　這是單一PCB板實現(xiàn)完整的USB PD電源適配器設計，無需子板，而傳統(tǒng)的解決方案中通常需要用子板來托管基于MCU的USB PD控制器。該方案將外部元件數(shù)量降到了最低，實現(xiàn)了簡單的電源設計，并且無需編寫軟件或固件。其額定功率為27W。如圖7所示，該設計采用5個PDO：5V3A、6V3A、7V3A、9V3A、12V2.25A。如圖8所示，一進入PPS模式后，該電源適配器生成的輸出電壓具有非常精細的分辨率(小于20mV /step)。