利用USB Type-C可编程电源实现5G智能型手机快充

作者：Bob Card， 安森美半导体先进方案部营销经理

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(USBType-C)的PD3.0规范，尤其是可编程设计电源(PPS)，将成为USB供电的首选。

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：

1:USB3.1SuperSpeed+Gen1(5Gbps)和Gen2(10Gbps)数据通讯

2:PowerDelivery2.0或PD，最高100W或20V/5A

3:TypeC连接器(1.2版)

图1：USB的演进

TypeC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」(ratsnest)式的传统电缆带来了希望。

100W…真的吗？

从7.5W充电(USB3.0)到100W(USB3.1)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。

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。

USB-CPD电力合约协议

在使用USB3.1和TypeC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100W(20V/5A)的功率。

USB3.1、PD2.0和TypeC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)。

图2：USB-C/PD电力合约

所有合规的>3ATypeC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」(DiscoverIdentity)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StartofPacket)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。

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”GoodCRC”讯息，通知发送方该讯息已接收无误。

USB-CPD2.0vs.PD3.0

PD2.0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USBTypeC、CC针脚在PD讯息中传输。相形之下，PD3.0、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。

图3：PD2.0与3.0比较

5G智能型手机电池尺寸

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-CPPS是实现这功能的首选。

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，0.7C-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0.7C-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。

TTC更快意味着更多电量

为了改善TTC，电池制造商正在设计大于1C-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SoCTTC，以1C-rate充电可比0.7C-rate充电缩短15分钟，以1.5C-rate充电甚至可以更快，可缩短至22分钟。不过，5000mAh电池的1.5C-rate需要进行7.5A充电和32.6W(4.35Vx7.5A)峰值充电功率，这在一个小尺寸空间里是很多的电量。

图4：充电率与充电时间

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25WPPS充电器，并接受45WPPS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。

值得一提的是，由于USB-C连接器的最大电流为5A，为了达到7.5AIBAT，在5G手机内部的TypeC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TypeC连接器的问世，USB-CPD将VBUS的最大电压从5V提高到20V，促成了HVLC的方式。

图5：5G智能型手机

一探笔记本电脑PD2.0流量

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TotalPhase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FUSB330760W评估板(EVB)Source之间侦探VBUS/IBUS的PD2.0，如图6所示。

在此展示中，笔记本电脑PD2.0sink和FUSB3307EVBPD3.0Source之间使用一条5A电缆。TotalPhase探测器与FUSB3307EVB和5A电缆串联插入。连接后，FUSB3307EVB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/3A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。

一探5G智能型手机PD3.0PPS流量

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100WFUSB3307PD3.0PPSEVB。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FUSB3307source进行通讯。

PPS电流限制(CL)警报

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，FUSB3307100Wsource向手机发送一条「警报」(Alert)讯息：告知已达到4A「电流限制」(CL)。

图10：PPS电流限制警报(CL)

5G手机PD3.0与笔电PD2.0流量的比较

笔记本电脑表现出的PD2.0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FUSB3307source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。

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1.5C-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)。

高效快充的“A、B、C”和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。

如果我们检阅图11的通用「墙到电池」(WalltoBattery)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：

1)电池电压在充电曲线从空电量到充满的过程中会上升；

2)电池电压随着异步负载的变化而升降。

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(PolicyManager)可通过CC接脚以20mV粒度(PPS)严格控制带有PD协议讯息的TAVOUT。

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。

图11：高效快充的A、B、C

带DC输入的评估板

FUSB3307EVB接受4.5V至32V直流(DC)输入，并提供5V至20VUSBPD输出，符合PD2.0和PD3.0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TypeC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PDPolicyManager，并用FUSB3307CATH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VBUSFET。

图12：带DC输入的FUSB3307EVB

带AC输入的FUSB3307EVB

另外，FUSB3307可用作带有AC输入的PD3.0source。FUSB3307是基于状态机的USB-CPD3.0埠控制器，通过FODM8801BV光耦合器，用CATH输出控制NCP1568FB输入来调节VBUS(5V至20V)。同样，FUSB3307自主控制VBUSFET。

总结

PPS具备一切：功率、安全和高能效。USB-C/PD3.0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”WalltoBattery”的控制回路架构，其中USB-C/PDsink通过TypeC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。PPSsource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。

编辑：hfy