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)

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)。它們專門針對(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)生聽得見的噪音;

　　? 獲得專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(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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。