USB PD在移動(dòng)設備快速充電中的新興應用

作者 / 李勇博士 Dialog半導體公司系統和應用高級總監

摘要：探討用于移動(dòng)設備快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰，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。

　　智能手機等移動(dòng)設備的快速充電方式是當前增長(cháng)最快的電源應用之一。新興的USB PD技術(shù)為移動(dòng)設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)了設計和BOM成本上的挑戰。

　　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(如圖1)。它們專(zhuān)門(mén)針對移動(dòng)設備USB PD等便攜式電源適配器進(jìn)行了優(yōu)化，能提供可靠、低成本的系統方案，并簡(jiǎn)化適配器設計。

　　在本文中，我們將討論用于移動(dòng)設備快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰，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。

　　圖1顯示了移動(dòng)設備的AC/DC電源適配器的升級過(guò)程。

1 什么是快速充電

　　大多數手機和平板電腦都通過(guò)USB線(xiàn)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。系統從5V(USB電壓)開(kāi)始，移動(dòng)設備與充電器協(xié)商更高的電壓，然后移動(dòng)設備從5V切換到9V、12V、20V或其他電壓值。

2 關(guān)鍵挑戰

　　移動(dòng)設備的快速充電對電源適配器帶來(lái)了許多挑戰，其中成本、安全性和各種快速充電協(xié)議是最大的挑戰。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(chǎng)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。其他挑戰還包括：功率密度、恒壓恒流(CVCC)規范、效率、空載待機功耗、動(dòng)態(tài)負載響應、音頻噪聲、用戶(hù)體驗和EMI / EMC共模噪聲等。

　　因此，理想的快速充電系統是能夠協(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的各種挑戰。

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(xiàn)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)、計算和電視應用，并得到所有主要消費類(lèi)OEM廠(chǎng)商的支持。而且，它比Type-A小得多，可以實(shí)現更小尺寸的設計。

4 USB PD 2.0 標準功能

　　USB PD是通過(guò)USB Type-C連接器上的配置通道引腳(CC1 / CC2)運行的通信協(xié)議。USD PD 2.0通過(guò)USB PD供電數據對象(PDO)提供標準功能。標準PDO結構允許多達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，可以涵蓋具有不同系統功能的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據對象(APDO)。移動(dòng)設備可以高精度地在規定范圍內請求和控制電源適配器的輸出電壓，并實(shí)現可編程電流折返。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(dòng)設備內的電池充電，包括智能手機。這有助于解決移動(dòng)設備端電源管理的散熱和成本方面的挑戰。

　　USB PD通過(guò)單根線(xiàn)纜提供更靈活的電力和數據傳輸，實(shí)現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)外設優(yōu)化電源管理，并提供智能、靈活的系統級電源管理。

　　不過(guò)，移動(dòng)設備的AC/DC快速充電存在一些限制。傳統的USB PD解決方案未對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。其系統設計流程通常很復雜，而且產(chǎn)品設計周期也很長(cháng)。

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(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提供電流檢測功能，可實(shí)現額外的保護。與一次側控制器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(guān)鍵AC/DC電源轉換技術(shù)

　　Dialog的關(guān)鍵AC/DC電源轉換技術(shù)如下。

　　? 具有數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節，具有強大的保護功能;

　　? 獲得專(zhuān)利的自適應多種模式PWM / PFM操作，可以平衡效率曲線(xiàn)，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)現最高效率(如圖5所示);

　　? 次級側無(wú)電流檢測電阻;

　　? 專(zhuān)用于快速充電，具有專(zhuān)利的二次側到一次側數字通信;

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

　　? 在典型18W 5V3A 9V2A時(shí)，滿(mǎn)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(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)驅動(dòng)器，可降低系統成本。iW656覆蓋3~20 V的寬電壓范圍，通過(guò)了USB-IF認證，經(jīng)過(guò)優(yōu)化實(shí)現較低的控制器IC成本。通過(guò)提供具有不同PDO組合的多種產(chǎn)品選項，可靈活地支持豐富的系統級功能。

　　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(xiàn)纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測功能，可通過(guò)板載ADC測量次級電流，并與移動(dòng)設備通信，實(shí)現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(shí)現完整的USB PD電源適配器設計，無(wú)需子板，而傳統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量降到了最低，實(shí)現了簡(jiǎn)單的電源設計，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，該設計采用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的分辨率(小于20mV /step)。

9 強大的保護功能

　　Dialog的解決方案提供強大的保護功能，包括過(guò)壓保護、過(guò)流保護、輸出短路保護、過(guò)溫保護、VBUS開(kāi)關(guān)輸出短路保護(OSP)、主動(dòng)放電、檢測，以及與移動(dòng)設備通信實(shí)現系統級控制和保護。

　　此外，它還提供雙層線(xiàn)纜保護：D+ / D- / CC1 / CC2過(guò)壓保護(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。