因為5G智能手機具有更大的屏幕、更大的鋰離子電池容量和“快速充電(快充)”等特點，USB-C的PD 3.0規(guī)范，尤其是可編程電源(PPS)，將成為USB供電的首選。
如果說最近的5G智能手機具有更大的屏幕、更大的鋰離子電池容量和“快速充電(快充)”等特點，是表明著未來手機的發(fā)展趨勢，那么USB-C (USB Type-C)的PD 3.0規(guī)范，尤其是可編程電源(PPS)，將成為USB供電的首選。
USB自1996年問世以來，在移動產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通信、充電和供電的標準化方面提供了空前的領(lǐng)導地位。 USB技術(shù)的最大飛躍發(fā)生在2013年至2016年，當時USB委員會集體批準了：
1）USB3.1 Super Speed + Gen 1（5Gbps）和Gen 2（10Gbps）數(shù)據(jù)通信
2）電源供電Power Delivery 2.0或PD，最高100 W或20 V / 5 A
3）Type C連接器（修訂版1.2）
圖1：USB的演進
Type C連接器有24個觸點（兩排各12個觸點），設(shè)計用以處理高達100 W、20 V / 5 A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，，并承諾放棄我們都愛恨交加的傳統(tǒng)電纜的糾纏“老鼠窩”。
100 W…真的嗎？
從7.5 W充電（USB3.0）到100 W（USB 3.1）是個相當大的飛躍。 也許有人會問，當大多數(shù)移動設(shè)備使用15 W ~45 W充電器就能正常工作時，誰真的需要100 W？然而，如果過去的情況能說明未來的趨勢，那么明天的創(chuàng)新將比我們想象的更快吞噬100 W。
充電和供電很像供需經(jīng)濟學。 這是一種共生關(guān)系，如果需求不增長，則供給不會增加，相反如果供給不增加，需求就會停滯不前。 將USB供電功率從7.5 W提升至100 W，只是讓更多的設(shè)備通過USB充電。
USB-C PD電力協(xié)議
在使用USB 3.1和Type C連接器之前，USB充電設(shè)備通過D +和D-端子上的非數(shù)據(jù)信令來識別USB充電端口。雖然此方法在高達7.5 W的情況下也能正常工作，但要在USB 源(source)和USB 接收端(sink)之間安全地提供高達100 W（20 V / 5 A）的功率，則需要一種更精密、更強大的方法。
總的來說，USB 3.1、PD 2.0和Type C連接器引入了一種雙線、單線協(xié)議，橫跨source和sink之間的CC線（圖2），具有全面的消息傳遞功能。 這種PD消息傳遞的一個用途是協(xié)商電力協(xié)議。 電力協(xié)議很像從菜單上訂購餐廳食物。 在基于隱式協(xié)議（最大15 W）連接source和sink之后，如果兩個端口都具有PD功能，則必須建立顯式協(xié)議或PD 電力協(xié)議（最高100 W）。
圖2：USB-C/PD電力協(xié)議
所有合規(guī)的大于3 A Type C電纜都必須包含電子標記的電纜或emarker。 因此，如果檢測到電纜中的emarker，一個具有大于 3A能力的源設(shè)備可能做的第一件事就是向emarker發(fā)送“發(fā)現(xiàn)身份(Discover Identity)”或SVID消息。 Sources和Sinks在接收到消息開始時，會對一個SOP（數(shù)據(jù)包開始Start of Packet）做出響應。 為了避免沖突，emarker在接收到消息開始時對SOP’做出響應。
一旦Source了解到電纜是否具有大于 3A的能力，它便會廣告其V / I功能，就像餐廳的菜單一樣。 然后，sink請求源設(shè)備宣告的供電能力選項之一，類似于餐廳客戶。 如果請求是可接受的，則Source將提供商定的電力。 每次發(fā)送消息時，消息接收方都會向消息發(fā)送方發(fā)送一條“ Good CRC”消息，通知發(fā)送方該消息已無誤接收。
USB-C PD 2.0對比PD 3.0
PD 2.0允許最多7個功率選項(PDO)，用于揭示source端口的電源能力或sink的電力需求，通過USB Type C、CC引腳在PD消息中傳輸。 相比之下，PD 3.0、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相比， sink可以更加精細的步進值來請求電壓/電流。 這有助于優(yōu)化source和sink之間的充電效率。
圖3：PD 2.0 對比 3.0
5G智能手機電池尺寸
最近發(fā)布的一款5G智能手機配備6.9英寸大屏幕和5,000 mAh鋰離子電池，相比之前的型號電池容量因而增加了25%。 屏幕尺寸和5G都對電池尺寸的增加有影響。 電池尺寸增加25%意味著需要AC-DC旅行適配器(TA)提供更多的電量，才能繼續(xù)宣傳“快充”功能。 而USB-C PPS是實現(xiàn)這一功能的首選。
快充
傳統(tǒng)上，鋰離子充電在0.7的充電速率(C-rate)下安全完成（C-rate簡單指充電電流除以電池容量）。 例如， 0.7C-rate的充電電流對1,000 mAh電池來說是700 mA。 但是，通常情況下，將一塊空電池從0％充電到50％的充電狀態(tài)（SoC）約需45分鐘（圖4）的充電時間（TTC）。這并不是那么快，而且，您不能簡單地增加電流來改善TTC。，當一個電池的數(shù)據(jù)表上寫明它的充電為0.7 C-rate時，以1 C-rate充電會導致電池過早老化，或可能導致永久性損壞。 而根據(jù)其數(shù)據(jù)表，鋰離子電池在使用至少500次后，必須保留至少80％的原始容量。
更快的充電時間（TTC）意味著更多的電量
為了改善TTC，電池制造商正在設(shè)計大于1 C-rate的充電電池，或更快的充電解決方案。 這主要需要降低電池的內(nèi)部阻抗，以延長充電曲線在電池電壓達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）模式的時間（假設(shè)您從空電池開始充電）。 如圖5所示，0-50％的SoC TTC，以1 C-rate充電可比0.7 C-rate充電縮短15分鐘，如以1.5 C rate充電則更快，可縮短至22分鐘。 不過，5000 mAh電池的1.5 C-rate需要進行7.5 A充電和32.6W（4.35 V x 7.5 A）峰值充電功率。這在一個小空間里是很多的電量。
圖4：充電率與充電時間
雖然不了解最近發(fā)布的5G智能手機內(nèi)部的實際充電情況，但它確實配備了一個25 W PPS充電器，并接受45 W PPS充電器配件。如果您要使用45 W旅行適配器，并假設(shè)從墻壁到電池的能效在80％左右，則約有36 W電量進入電池。這與計算出的32.6 W所需的22分鐘、0％至50％ SoC的充電時間相差不大，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5 A，為了實現(xiàn)7.5 A IBAT，在5G手機內(nèi)部的Type C連接器和電池充電器之間需要一個“半壓”電荷泵（圖5）。例如，TA可能輸出10 V / 4 A，而電荷泵將輸出5 V / 8 A（假設(shè)理想的功率損耗）。這有時被稱為高電壓，低電流（HVLC）。正如物理學告訴我們的那樣，功率耗散為I2R，因此將功率從TA傳輸?shù)绞謾C（?1米電纜），HVLC比低壓大電流（LVHC）更具 “能效優(yōu)勢”。而隨著Type C連接器的問世，USB-C PD將VBUS的最大電壓從5 V提高到20 V，促成了HVLC的方式。
圖5：5G智能手機內(nèi)部的半壓電荷泵
分析筆記本電腦PD 2.0的流量
您可能無法測量電池充電器和電池之間的實際5G智能手機的內(nèi)部IBAT電流，但可使用Total Phase的PD分析器(sniffer)測量TA和5G智能手機之間的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FUSB3307 60 W評估板(EVB) Source之間分析VBUS / IBUS 的PD 2.0，如圖6所示。
在此演示設(shè)置中，筆記本電腦PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之間使用一條5 A電纜。Total Phase分析器與FUSB3307 EVB和5 A電纜串聯(lián)插入。連接后，F(xiàn)USB3307 EVB以四個固定PDO和三個PPS（增強型）PDO的形式通告其source能力。筆記本電腦請求使用20 V / 3 A的固定PDO，但最多只需要1.5 A。 FUSB3307接受筆記本電腦的請求，電力協(xié)議完成。在圖7中，您可看到VBUS（紅色）從5 V上升到20 V，隨著筆記本電腦啟動（從空電池開始），動態(tài)IBUS電流（藍色）上升到?1.3 A或?30 W。
圖6：筆記本電腦演示
圖7：根據(jù)圖6的設(shè)計所示， 筆記本電腦的VBUS 及IBUS
分析5G智能手機PD 3.0 PPS的流量
從圖8和圖9來看，將筆記本電腦換成5G智能手機，source換成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。 5G智能手機最初請求并獲得一個5 V固定PDO，但約7秒鐘后，請求并獲得一個PPS（3 V至21 V / 5 A）PDO。 5G智能手機立即進入 “算法”，即每隔210毫秒，將其請求的電壓（紅色）從8 V遞增到9.28 V，以40 mV的步長遞增，同時在約7秒的時間內(nèi)將電流（藍色）從2 A遞增（接收）到4 A。 在整個充電過程中，5G智能手機持續(xù)與FUSB3307 source進行通信。
圖8：5G手機演示設(shè)置
圖9：根據(jù)圖8的設(shè)計所示， 5G手機的VBUS IBUS
PPS電流限制(CL)警報
安全是供電(PD)的一個重要方面。 在圖10中，當5G手機將請求的電源電壓(紅色)從8 V增加到9.28 V時，請求的最大工作電流為4 A，F(xiàn)USB3307 100 W source向手機發(fā)送一條``警報''信息：告知已達到4 A“電流限制”(CL)。
圖10：PPS電流限制警報（CL）
5G智能手機PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對比分析
筆記本電腦表現(xiàn)出的PD 2.0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20 V / 1.5 A電力協(xié)議，沒有觀察到進一步的PD流量。帶PPS的5G智能手機表現(xiàn)則完全不同。5G智能手機是精密算法的主控器，它不斷地與FUSB3307 source通信，指示它更改其電壓輸出，因此5G智能手機巧妙地地提高其負載電流。實際上，PPS包括一個規(guī)定，在source和sink信息傳遞之間有一個最長15秒的“保持活動”時間。因此，在PPS運行中，source和sink在CC觸點上一直保持恒定的數(shù)字通信。
5G智能手機/FUSB3307在連接后60秒左右觀察到峰值功率為37.68 W（9.6 V / 3.925 A）。這與以1.5 Crate給電池充電所需的估計功率相差不大，或者說在電池上充電所需的功率為32.6 W， 才能實現(xiàn)22分鐘左右的快速TTC（0％至50% SoC）。
高效快充的充電細節(jié) ，以及PPS
5G和更大的屏幕在推動智能手機電池的增大，再加上客戶對“快充”的期待，對旅行適配器的功率要求更高，達到45 W。 然而，功率耗散的增加將以熱量的形式跟隨這種功率的增加。 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”鋰離子充電框圖，目標是通過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（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以更高能效工作。 而更復雜的是，VBAT總是一個流動目標，原因有二：
1）電池電壓在由空到滿的充電曲線中會上升，并且
2）電池電壓隨著異步負載的變化而升降。
為優(yōu)化能效，旅行適配器（TA）的輸出（A）電壓需要由sink的MCU嚴格控制，現(xiàn)在MCU成為“充電算法主控器”。 在通過電量計讀取VBAT和檢測電荷泵VOUT之間，MCU 策略管理器(Policy Manager)可通過CC引腳用PD協(xié)議消息以20 mV的控制精度（PPS）對TA VOUT提供嚴格控制。
添加PPS后，移動設(shè)備現(xiàn)在可以更快、更安全、更高效地為更大的電池充電。 安森美半導體的FUSB3307評估板支持5G智能手機的精密PPS充電算法。
圖11：高效快充的細節(jié)說明
總結(jié)
PPS集功率、安全和高效于一身。
USB-C/PD 3.0的極精細的V/I步進，高達100 W（20 V/5 A）可編程電源（PPS），可實現(xiàn)更高能效，用于5G智能手機快充（0至50% SoC約22分鐘）。 PPS還實現(xiàn) “從墻到電池”的控制回路架構(gòu)，其中USB-C/PD sink通過Type C連接器的CC觸點上的雙向單線協(xié)議，采用智能從屬旅行適配器，成為精密而安全的充電算法的主控器。PPS source在恒壓（CV）模式（默認）或電流限制（CL）模式下工作，并在更改模式時用警報信息通知sink。5G智能手機采用PPS的事實清楚地表明，PPS是首選，并將持續(xù)。
作者：Bob Card，安森美半導體
責編：Amy Guan
本文為《電子工程專輯》2021年5月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。點擊申請免費雜志訂閱
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