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利用USB Type-C可编程电源,满足5G手机快充需求

2021-03-16 Bob Card, 安森美半导体先进方案部营销经理 阅读:
如果5G智能型手机具有更大的屏幕、更大的锂离子电池容量和快充功能,正预言着未来手机的发展,那么USB Type-C的PD 3.0规范,尤其是可编程设计电源(PPS),将成为USB供电的首选... USB-C/PD 3.0的极精细的V/I粒度,高达100W (20V/5A) PPS可实现更高能效,用于5G智能型手机快充(0至50% SoC约22分钟)。

 

如果最近的5G智能型手机具有更大的屏幕、更大的锂离子电池容量和「快速充电」(快充),正预言着未来手机的发展,那么USB-C (USB Type-C)的PD 3.0规范,尤其是可编程设计电源(PPS),将成为USB供电的首选。phMednc

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USB自1996年问世以来,在行动产品的数据传输、充电和供电的标准化方面占有史无前例的领导地位。 USB技术的最大进展发生在2013年至2016年,当时USB委员会统一批准:phMednc

1: USB3.1 Super Speed + Gen 1 (5Gbps)和Gen 2 (10Gbps)数据通讯phMednc

2: Power Delivery 2.0或PD,最高100W或20V/5AphMednc

3: Type C连接器(1.2版)phMednc

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1USB的演phMednc

Type C连接器有24个接触点(两排各12个接触点),设计用以处理高达100W、20V/5A的电流,以非常紧凑的外形尺寸(仅2.4mm高度)提供可正反逆插的插头插入和附件方向检测,为摒弃我们大家都讨厌的缠结的「鼠迹网」(rats nest)式的传统电缆带来了希望。phMednc

100W…真的

从7.5W充电(USB3.0)到100W (USB 3.1)是个很大的突破。也许有人会问,当大多数行动装置使用15W – 45W充电器正常运作时,谁真正需要100W? 然而,如果过去的情况能说明未来的趋势,那么未来的创新将比我们想象的更快消耗100W。phMednc

充电和供电很像供需经济学。这是一种共生的关系,如果需求不增长,则供给不会增加,但如果供给不增加,就不能满足需求。 将USB供电电源从7.5W提升至100W,只会使更多的装置通过USB充电。phMednc

USB-C PD力合约协议

在使用USB 3.1和Type C连接器之前,USB充电装置通过D +和D-端子上的非数据讯息来识别USB充电端口。 尽管此方法在7.5W以内的功率下仍能很好地工作,但仍需要一种更精密、更强大的方法在USB 来源(source)和USB 接收端(sink)之间安全地传输达100 W(20V/5A)的功率。phMednc

USB 3.1、PD 2.0和Type C连接器共同通过source和sink之间的CC线导入了双向、单线协议,横跨source和sink之间的CC线(图2),具有全面的讯息传递功能。 该PD讯息传递的一种用途是协商电力合约。 电力合约的协议很像从菜单上订购餐厅的食物。 在使用隐式合约(最大15W)连接source和sink之后,如果两个端口都具有PD功能,则必须建立显式合约或PD 电力合约(最高100W)。phMednc

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2USB-C/PD力合phMednc

所有合规的>3A Type C电缆都必须包含电子标记的电缆或emarker。 因此,如果在电缆中检测到emarker,具有>3A能力的讯号源可能要做的第一件事就是向emarker发送「发现身份」(Discover Identity)或SVID讯息。Sources和Sinks在开始接收到讯息时,会对SOP(数据封包开始Start of Packet)做出回应。 为了避免冲突,emarker在开始接收到讯息时对SOP做出回应。phMednc

一旦Sources得知电缆是否支持>3A的能力,它便会广告其V/I功能,就像餐厅的点菜单一样。 然后,sink请求广告功能之一,类似餐厅的客人。 如果请求是可接受的,则Sources将提供合约约定的电力。 每次发送讯息时,讯息接收方都会向讯息发送方发送一条”Good CRC”讯息,通知发送方该讯息已接收无误。phMednc

USB-C PD 2.0 vs. PD 3.0

PD 2.0允许最多7个功率数据对象(PDO),用于揭示source埠的电源能力或sink的电力需求,通过USB Type C、CC针脚在PD讯息中传输。 相形之下,PD 3.0、PPS提供图3所示的「电压和电流范围」PDO。PPS的优势在于,与固定PDO相较, sink可以更加精细的粒度来请求电压/电流。 这有助于优化source和sink之间的充电效率。phMednc

 3PD 2.0 3.0比较phMednc

5G智能型手机池尺寸

最近发布的一款5G智能型手机配备6.9吋大屏幕和5,000mAh锂离子电池,与以前的型号相比,容量增加了25%。屏幕尺寸和5G都对电池尺寸的增加起到一定的作用。电池尺寸增加25%意味着需要AC-DC旅行配接器(TA)提供更多的电量,才能继续宣传「快充」能力。 而USB-C PPS是实现这功能的首选。phMednc

快充

过去,锂离子充电在0.7充电速率(C-rate)下安全完成(C-rate是简单的充电电流除以电池容量)。 例如, 0.7 C-rate的充电电流对1,000mAh电池来说是700mA。但是,通常将一块空电池从0%充电到50%的充电状态(SoC)需要约45分钟(图4)的充电时间(TTC)。这并不是那么快,而且,您不能简单地透过增加电流来改善TTC。当一个电池的数据表上标示它的充电0.7 C-rate时,以1C-rate充电会导致电池过早老化或可能导致永久性损坏。 根据其数据表,锂离子电池必须在至少500次充电循环周期后,必须保留至少80%的原始容量。phMednc

TTC更快意味更多

为了改善TTC,电池制造商正在设计大于1 C-rate的充电电池,或更快的充电。 这主要是为了降低电池的内部阻抗,以延长充电曲线在电池电压达到最大电压和充电曲线转换到恒压(CV)模式之前保持在恒定电流(CC)模式的时间(假设您从空电池开始充电)。如图5所示,0-50%的SoC TTC,以1 C-rate充电可比0.7 C-rate充电缩短15分钟,以1.5 C-rate充电甚至可以更快,可缩短至22分钟。 不过,5000 mAh电池的1.5 C-rate需要进行7.5A充电和32.6W (4.35V x 7.5A)峰值充电功率,这在一个小尺寸空间里是很多的电量。phMednc

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4:充率与充电时间phMednc

尽管不了解最近发布的5G智能型手机内部的实际充电情况,但它确实配备了一个25W PPS充电器,并接受45W PPS充电器配件。如果您要使用45W旅行配接器,并假设从墙壁到电池的能效在80%左右,则约有36W电量进入电池。这与计算出的32.6W所需的22分钟、0%至50% SoC的充电时间相差不大,如上图 5所示。phMednc

值得一提的是,由于USB-C连接器的最大电流为5A,为了达到7.5A IBAT,在5G手机内部的Type C连接器和电池充电器之间需要一个「2分频」充电泵(图5)。例如,TA可能输出10V/4A,而电荷泵将输出5V/8A(假设理想的功率损耗)。有时将其称为高电压,低电流(HVLC)。正如物理学告诉我们的那样,功率耗散为I2R,因此将功率从TA传输到手机(〜1m电缆),HVLC比低压大电流(LVHC)更具「能效优势」。随着Type C连接器的问世,USB-C PD将VBUS的最大电压从5V提高到20V,促成了HVLC的方式。phMednc

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55G智能型手机phMednc

 一探笔记电脑PD 2.0流量phMednc

您可能无法测量5G智能型手机内部电池充电器和电池之间的实际IBAT电流,但可使用Total Phase的PD探测器(sniffer)测量TA和5G智能型手机之间的VBUS电压和电流(IBUS)。但在执行此操作前,您可在笔记本电脑和FUSB3307 60 W评估板(EVB) Source之间侦探VBUS/IBUS 的PD 2.0,如图6所示。phMednc

在此展示中,笔记本电脑PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之间使用一条5A电缆。Total Phase探测器与FUSB3307 EVB和5A电缆串联插入。连接后,FUSB3307 EVB以四个固定PDO和三个PPS (增强型) PDO的形式宣告其source能力。笔记本电脑请求使用20V/3 A的固定PDO,但最多只需要1.5A。 FUSB3307接受笔记本电脑的请求,电力合约完成。在图7中,您可看到VBUS (红色)从5V上升到20V,随着笔记本电脑启动(从空电池开始),动态IBUS电流(蓝色)上升到〜1.3A或〜30W。phMednc

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6笔记电脑展示 7笔记电脑VBUS V/I

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 一探5G智能型手机PD 3.0 PPS流量phMednc

从图8和图9来看,将笔记本电脑换成5G智能型手机,source换成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。 5G智能型手机最初请求并获得一个5V固定PDO,但约7秒钟后,5G智能型手机请求并获得一个PPS (3V至21V/5A) PDO。5G智能型手机立即进入一个「算法」,即每隔210毫秒,将其请求的电压(红色)从8V递增到9.28V,以40mV的步长递增,同时在约7秒的时间内将电流(蓝色)从2A递增(接收)到4A。 在整个充电过程中,5G智能型手机持续与FUSB3307 source进行通讯。phMednc

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85G智能型手机展示 95G手机VBUS V/I

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PPS流限制(CL)

安全是供电(PD)的一个重要方面。在图10中,当5G手机将请求的电源电压(红色)从8V增加到9.28V时,请求的最大工作电流为4A,FUSB3307 100W source向手机发送一条「警报」(Alert)讯息: 告知已达到4A「电流限制」(CL)。phMednc

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10PPS流限制警(CL)phMednc

5G手机PD 3.0笔电PD 2.0流量的比

笔记本电脑表现出的PD 2.0流量虽然有效,但相对简单。在连接的第一秒内,协商并授予了20V/1.5A电力合约,没有观察到进一步的PD流量。带PPS的5G智能型手机表现完全不同。5G智能型手机是精密算法的主控器,它会不断与FUSB3307 source通讯,指示它更改电压输出。实际上,PPS包括一个规定,在source和sink信息传递之间有一个最长15秒的「保持活动」时间。因此,在PPS运作时,source和sink在CC接触点上保持稳定的数字通讯。phMednc

5G智能型手机/FUSB3307在连接后约60秒左右观察到峰值功率为37.68W(9.6V/3.925A)。这与以1.5 C-rate为电池充电所需的估计功率相差不大,或者说在电池上充电所需的功率为32.6W,才能达到22分钟左右的快速TTC (0%至50%SoC)。phMednc

高效快充的“ ABC PPS

5G和更大的屏幕在推动智能型手机电池的增大,再加上客户对「快充」的期待,对旅行配接器的功率要求更高,达到45W。 然而,功率耗散的增加将以热量的形式追踪这种功率的增加。 因此,能效变得越来越关键, 这就是PPS的作用。phMednc

如果我们检阅图11的通用「墙到电池」(Wall to Battery)锂离子充电方块图,目标是通过PMIC为系统供电,并通过功率路径FET将1S电池从空充电量(〜3V)充至满电量(4.35V)。 无论采用哪种技术(开关、线性或旁路),如果电池充电器的输入电压(B)略高于其输出电压(C)或VBAT,则电池充电器总是会以更高能效工作。 而更复杂的是,VBAT始终是个变化的目标,原因有二:phMednc

1)电池电压在充电曲线从空电量到充满的过程中会上升;phMednc

2)电池电压随着异步负载的变化而升降。phMednc

为了优化能效,旅行配接器(TA)输出(A)电压需要由sink的MCU严格控制,现在MCU成为「充电算法主控器」。 在通过电量计读取VBAT和检测电荷泵VOUT之间,MCU 策略管理器(Policy Manager)可通过CC接脚以20mV粒度(PPS)严格控制带有PD协议讯息的TA VOUT。phMednc

添加PPS后,行动装置现在可以更快、更安全、更高效地为更大的电池充电。例如安森美半导体的FUSB3307评估板(EVB)支持5G智能型手机的精密PPS充电算法。phMednc

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11:高效快充的ABCphMednc

DC入的估板

FUSB3307 EVB接受4.5V至32V直流(DC)输入,并提供5V 至20V USB PD输出,符合PD 2.0和PD 3.0规范,包括可编程设计电源(PPS)。 FUSB3307是基于状态机的PD控制器和Type C埠控制器。 因此,不需要MCU或韧体开发。没有韧体也意味着防篡改,这在医疗应用中是有利的。只需将其焊入,它就可自主运行。FUSB3307状态机包括PD Policy Manager,并用FUSB3307 CATH输出接脚驱动Comp输入来控制安森美半导体的NCV81599降压升压。 FUSB3307还自主控制VBUS FET。phMednc

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12DC入的FUSB3307 EVBphMednc

AC入的FUSB3307 EVB

另外,FUSB3307可用作带有AC输入的PD 3.0 source。FUSB3307是基于状态机的USB-C PD 3.0埠控制器,通过FODM8801BV光耦合器,用CATH输出控制NCP1568 FB输入来调节VBUS(5 V至20 V)。 同样,FUSB3307自主控制VBUS FET。phMednc

总结

PPS具备一切:功率、安全和高能效。USB-C/PD 3.0的极精细的V/I粒度,高达100W (20V/5A) PPS可实现更高能效,用于5G智能型手机快充(0至50% SoC约22分钟)。 PPS还支持”Wall to Battery”的控制回路架构,其中USB-C/PD sink通过Type C连接器的CC触点上的双向单线协议,采用智慧从属旅行配接器,成为精密而安全的充电算法的主控器。PPS source在恒压(CV)模式(默认)或电流限制(CL)模式下运作,并在更改模式时透过警报信息通知sink。 5G智能型手机采用PPS的事实清楚地表明,PPS是首选,并将继续存在。phMednc

责编:胡子phMednc

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