圖1:USB的演進(jìn)
USB Type-C 可編程電源如何滿足5G智能手機(jī)快充需求?這篇文章講透了
發(fā)布時(shí)間:2021-06-10 來源:安森美半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】如果說最近的5G智能手機(jī)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(diǎn),是表明著未來手機(jī)的發(fā)展,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。
如果說最近的5G智能手機(jī)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(diǎn),是表明著未來手機(jī)的發(fā)展,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(dòng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通信、充電和供電的標(biāo)準(zhǔn)化方面提供了空前的領(lǐng)導(dǎo)地位。USB技術(shù)的最大飛躍發(fā)生在2013年至2016年,當(dāng)時(shí)USB委員會(huì)集體批準(zhǔn)了:
USB3.1 Super Speed + Gen 1(5Gbps)和Gen 2(10Gbps)數(shù)據(jù)通信
電源供電Power Delivery 2.0或PD,最高100 W或20 V / 5 A
Type C連接器(修訂版1.2)
圖1:USB的演進(jìn)
Type C連接器有24個(gè)觸點(diǎn)(兩排各12個(gè)觸點(diǎn)),設(shè)計(jì)用以處理高達(dá)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(gè)相當(dāng)大的飛躍。也許有人會(huì)問,當(dāng)大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備使用15 W – 45 W充電器就能正常工作時(shí),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(jì)學(xué)。這是一種共生關(guān)系,如果需求不增長,則供給不會(huì)增加,但如果供給不增加,需求就會(huì)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(shí)別USB充電端口。雖然此方法在高達(dá)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(dá)100 W(20 V / 5 A)的功率,則需要一種更精密、更強(qiáng)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(gè)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(gè)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> 3 A Type C電纜都必須包含電子標(biāo)記的電纜或emarker。因此,如果檢測到電纜中的emarker,一個(gè)具有> 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(shí),會(huì)對(duì)一個(gè)SOP(數(shù)據(jù)包開始Start of Packet)做出響應(yīng)。為了避免沖突,emarker在接收到消息開始時(shí)對(duì)SOP做出響應(yīng)。
一旦Source了解到電纜是否具有> 3A的能力,它便會(huì)廣告其V / I功能,就像餐廳的菜單一樣。然后,sink請(qǐng)求源設(shè)備宣告的供電能力選項(xiàng)之一,類似于餐廳客戶。如果請(qǐng)求是可接受的,則Source將提供商定的電力。每次發(fā)送消息時(shí),消息接收方都會(huì)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(duì)比PD 3.0
PD 2.0允許最多7個(gè)功率選項(xiàng)(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(xì)的步進(jìn)值來請(qǐng)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(duì)比 3.0
5G智能手機(jī)電池尺寸
最近發(fā)布的一款5G智能手機(jī)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(hào)容量因而增加了25%。屏幕尺寸和5G都對(duì)電池尺寸的增加起到一定的作用。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(shí)現(xiàn)這一功能的首選。
快充
傳統(tǒng)上,鋰離子充電在0.7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,0.7 C-rate的充電電流對(duì)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(shí)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(dāng)一個(gè)電池的數(shù)據(jù)表上寫明它的充電為0.7 C-rate時(shí),以1 C-rate充電會(huì)導(dǎo)致電池過早老化,或可能導(dǎo)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(shí)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(jì)大于1 C-rate的充電電池,或更快的充電。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(dá)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(shí)間(假設(shè)您從空電池開始充電)。如圖4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(jìn)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(gè)小空間里是很多的電量。
圖4:充電率與充電時(shí)間
雖然不了解最近發(fā)布的5G智能手機(jī)內(nèi)部的實(shí)際充電情況,但它確實(shí)配備了一個(gè)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(jìn)入電池。這與計(jì)算出的32.6 W所需的22分鐘、0%至50% SoC的充電時(shí)間相差不大,如上圖 4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(shí)現(xiàn)7.5 A IBAT,在5G手機(jī)內(nèi)部的Type C連接器和電池充電器之間需要一個(gè)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(shí)被稱為高電壓,低電流(HVLC)。正如物理學(xué)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(jī)(?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(jī)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(shí)際5G智能手機(jī)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(jī)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(píng)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(gè)固定PDO和三個(gè)PPS(增強(qiáng)型)PDO的形式通告其source能力。筆記本電腦請(qǐng)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(qǐng)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(dòng)(從空電池開始),動(dòng)態(tài)IBUS電流(藍(lán)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(jì)演示,筆記本電腦的VBUS及IBUS
分析5G智能手機(jī)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(jī),source換成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。5G智能手機(jī)最初請(qǐng)求并獲得一個(gè)5 V固定PDO,但約7秒鐘后,請(qǐng)求并獲得一個(gè)PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。5G智能手機(jī)立即進(jìn)入 “算法”,即每隔210毫秒,將其請(qǐng)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(shí)在約7秒的時(shí)間內(nèi)將電流(藍(lán)色)從2 A遞增(接收)到4 A。在整個(gè)充電過程中,5G智能手機(jī)持續(xù)與FUSB3307 source進(jìn)行通信。
圖8:5G手機(jī)演示設(shè)置
圖9:根據(jù)圖8的設(shè)計(jì)所示,5G手機(jī)的VBUS V/I
PPS電流限制(CL)警報(bào)
安全是供電(PD)的一個(gè)重要方面。在圖10中,當(dāng)5G手機(jī)將請(qǐng)求的電源電壓(紅色)從8 V增加到9.28 V時(shí),請(qǐng)求的最大工作電流為4 A,F(xiàn)USB3307 100 W source向手機(jī)發(fā)送一條“警報(bào)”信息:告知已達(dá)到4 A“電流限制”(CL)。
圖10:PPS電流限制警報(bào)(CL)
5G智能手機(jī)PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對(duì)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(duì)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(jìn)一步的PD流量。帶PPS的5G智能手機(jī)表現(xiàn)則完全不同。5G智能手機(jī)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(jī)巧妙地地提高其負(fù)載電流。實(shí)際上,PPS包括一個(gè)規(guī)定,在source和sink信息傳遞之間有一個(gè)最長15秒的“保持活動(dòng)”時(shí)間。因此,在PPS運(yùn)行中,source和sink在CC觸點(diǎn)上一直保持恒定的數(shù)字通信。
5G智能手機(jī)/ 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 C-rate給電池充電所需的估計(jì)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(shí)現(xiàn)22分鐘左右的快速TTC(0%至50% SoC)。
高效快充的“ A,B,C” ,以及PPS
5G和更大的屏幕在推動(dòng)智能手機(jī)電池的增大,再加上客戶對(duì)“快充”的期待,對(duì)旅行適配器的功率要求更高,達(dá)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(biāo)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(huì)以更高能效工作。
而更復(fù)雜的是,VBAT總是一個(gè)流動(dòng)目標(biāo),原因有二:
1. 電池電壓在由空到滿的充電曲線中會(huì)上升,并且
2. 電池電壓隨著異步負(fù)載的變化而升降。
為優(yōu)化能效,旅行適配器的輸出電壓(A)需要由sink的MCU嚴(yán)格控制,現(xiàn)在MCU成為“充電算法主控器”。在通過電量計(jì)讀取VBAT和檢測電荷泵VOUT之間,MCU 策略管理器(Policy Manager)可通過CC引腳以20 mV的控制精度(PPS)嚴(yán)格控制帶有PD協(xié)議消息的TA VOUT。
添加PPS后,移動(dòng)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(dǎo)體的FUSB3307評(píng)估板支持5G智能手機(jī)的精密PPS充電算法。
圖11:高效快充的細(xì)節(jié)說明
帶DC輸入的FUSB3307評(píng)估板(EVB)
FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V的DC輸入,并提供5 V 至20 V 的USB PD輸出,符合PD 2.0和PD 3.0規(guī)范,包括可編程電源(PPS)。FUSB3307是基于狀態(tài)機(jī)的PD控制器和Type C端口控制器。因此,不需要MCU或固件開發(fā)。沒有固件也意味著防篡改,這在醫(yī)療應(yīng)用中是有利的。只需將其焊入,它就可自主運(yùn)行。FUSB3307狀態(tài)機(jī)包括PD Policy Manager,并用FUSB3307 CATH輸出引腳驅(qū)動(dòng)Comp輸入來控制安森美半導(dǎo)體的NCV81599降壓升壓。FUSB3307還自主控制VBUS FET。
圖12:帶DC輸入的FUSB3307評(píng)估板(EVB)
帶AC輸入的FUSB3307評(píng)估板(EVB)
另外,F(xiàn)USB3307可用作帶有AC輸入的PD 3.0 source。FUSB3307是基于狀態(tài)機(jī)的USB-C PD 3.0端口控制器,通過FODM8801BV光耦合器,用CATH輸出控制NCP1568 FB輸入來調(diào)節(jié)VBUS(5 V至20 V)。同樣,F(xiàn)USB3307自主控制VBUS FET。
總結(jié)
PPS具備一切:功率、安全和高能效
USB-C / PD 3.0的極精細(xì)的V / I步進(jìn),高達(dá)100 W(20 V / 5 A)可編程電源(PPS),可實(shí)現(xiàn)更高能效,用于5G智能手機(jī)快充(0至50% SoC約22分鐘)。PPS還實(shí)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(diǎn)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(rèn))或電流限制(CL)模式下工作,并在更改模式時(shí)用警報(bào)信息通知sink。5G智能手機(jī)采用PPS的事實(shí)清楚地表明,PPS是首選,并將持續(xù)。
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