作者：Stephen Evanczuk
更大的顯示屏、更強的性能和更高的數(shù)據(jù)吞吐量是 5G 智能手機的發(fā)展趨勢，它推動了對更大電池容量和快速充電能力的需求。如何突破傳統(tǒng)的充電方式是設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)充電方式效率低下，而消費者對快速充電的期望又越來越高，所以在滿足這一需求的功率水平下就可能會導(dǎo)致發(fā)熱過度。
在 USB Type-C® (USB-C) 電源傳輸 (PD) 3.0 中引入的可編程電源 (PPS) 功能有助于實現(xiàn)有效的解決方案，但所需的固件開發(fā)仍會拖延產(chǎn)品交付時間。
本文將介紹與 5G 手機快充相關(guān)的問題，以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何幫助設(shè)計人員高效地滿足更大容量電池的更快充電的要求。然后，還將介紹并展示開發(fā)人員如何使用高度集成的 ON Semiconductor USB-C 控制器，這種控制器可在有限狀態(tài)機 (FSM) 中實現(xiàn) USB-C PD 3.0 PPS。這樣就不需要開發(fā)固件，從而能夠加快下一代充電器的快充功能。
更強大的智能手機為快充適配器帶來新的挑戰(zhàn)
據(jù)市場分析人士稱，預(yù)計到 2023 年，5G 智能手機將占智能手機總出貨量的 50% 以上。然而在使用這些手機獲得 5G 服務(wù)的過程中，用戶會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的手機充電器和充電站已無法滿足這種新一代智能手機的快充需求。
正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G 手機中已經(jīng)看到的那樣，這些手機技術(shù)先進(jìn)，擁有更大的屏幕以及更強的處理能力，數(shù)據(jù)吞吐量也遠(yuǎn)超早期智能手機。為了配合其更大的屏幕和相應(yīng)更高的功耗，現(xiàn)有的 5G 手機已經(jīng)用了更大型的電池。例如，三星 S20 Ultra 5G 的屏幕尺寸達(dá)到 6.9 英寸，采用了容量超上代機型 25% 的 5000 毫安小時 (mAh) 電池。
消費者在期待大容量電池具有更長電池續(xù)航時間的同時，也希望充電時間會變得更短，而不是延長 25%。對于希望滿足汽車、家庭和辦公室對充電站日益增長的需求的制造商來說，面對電池自身的瓶頸，如何縮短高容量電池的充電時間已成為一個重大難題。
鋰離子 (Li-ion) 電池制造商對充電電流和電壓規(guī)定了嚴(yán)格的閾值。一塊額定容量為 1000 mAh 的傳統(tǒng)鋰離子電池，其額定充電速率一般為 0.7 C，即充電電流為 700 mA。對于一塊完全耗盡的 5000mAh 電池，0.7 C 充電速率（或 3500 毫安充電電流）只充到 50% 就需約 45 分鐘。
更先進(jìn)的電池技術(shù)可以支持大于 1 C 的充電速率，但充電器和被充電設(shè)備都需要適應(yīng)大幅提高的功率水平。例如，以較高的 1.5 C 速率充電的 5,000 mAh 電池，從 0% 充電到 50% 只需約 22 分鐘，但 7.5 安培 (A) 的充電電流即使在高效率的充電系統(tǒng)中也會給元器件造成壓力，并產(chǎn)生過大的熱負(fù)載。事實上，隨著 USB-C 作為電源和其他功能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口已被廣泛接受，兼容型充電器在 USB-C 電纜上所能提供的最大電流將會受限。USB-C 電纜的最大電流為 5 A，該電纜包含了為所連設(shè)備提供電纜信息的 emarker IC。（對于非 emarker 電纜，最大電流為 3 A）。
當(dāng)然，移動設(shè)備制造商可以通過在電源輸入和電池充電電路之間插入一個充電泵來克服這種限制。例如，為了支持 7.5 A 充電系統(tǒng)，旅行適配器可以在 4 A 條件下提供 10 V 電壓，因此依靠典型的一分為二型充電泵在約 8 A 電流下可向充電電路輸出 5 V 電壓。這種方法可以使旅行適配器在保持兼容 USB-C 的電流水平的同時，提高 USB-C 電壓 (VBUS)。
提高充電功率需要更有效的控制
能夠支持大于 5 V 的 VBUS 使這種高電壓、低電流方法得以使用。USB PD 2.0 規(guī)范定義了一系列固定的功率傳輸對象 (PDO)，這些對象指定了固定的電壓水平（5、9、15 和 20 V）和電流（3 或 5 A) 組合。
雖然 USB PD 2.0 固定 PDO 可以實現(xiàn)更高的充電功率，但將充電電壓和電流設(shè)置固定，過高或過低都會導(dǎo)致充電效率低下，熱負(fù)載無法接受并對元器件造成壓力。實際上，當(dāng)充電電路的輸入電壓（由 USB-C VBUS 提供）略高于其輸出電壓（電池電壓）時，充電電路達(dá)到最佳工作效率。然而，由于電池電壓在正常工作時會不斷變化，因此如何保持最佳充電效率成為一個不小的挑戰(zhàn)。當(dāng)電池放電時，電池電壓與 USB-C 充電電壓 (VBUS) 的差值會變大，會降低充電效率。反之，當(dāng)電池充滿后，充電電路就需要降低充電電流來保護(hù)電池。
如果不能直接降低旅行適配器提供的充電水平，功率耗散會增加，從而效率降低，造成發(fā)熱。因此，最佳充電水平會不斷變化，往往是以增量的方式變化，這就要求對充電電壓和電流進(jìn)行相應(yīng)的增量控制，以達(dá)到最高效率。
USB-C PD 3.0 PPS 如何提高效率？
USB-C PD 3.0 PPS 功能旨在滿足在更高充電功率下對更高充電效率日益增長的需求，允許被充電設(shè)備（電流灌入設(shè)備）請求充電器（電流拉出設(shè)備）以增強式 PDO 中公布的 mV 和 mA 步長值增大或減小充電電壓和電流。利用這種功能，灌入設(shè)備可以調(diào)整其拉出設(shè)備的電壓和電流以優(yōu)化充電效率。
PPS 的引入極大地改變了充電過程的工作方式。過去，充電器同時控制和執(zhí)行充電算法。采用 PPS 后，充電算法的控制權(quán)轉(zhuǎn)移到灌入設(shè)備，要求充電器按照灌入設(shè)備的指令執(zhí)行算法。
通過 PPS，智能手機或其他灌入設(shè)備與充電器進(jìn)行通信以優(yōu)化功率輸送，從而通過包括如下簡短交互在內(nèi)的協(xié)商協(xié)議來達(dá)成雙方同意的 PD“合同”。
· 充電器發(fā)現(xiàn)連接電纜是否具有 5 A 能力
· 充電器廣播其在多達(dá) 7 個 PDO 中描述的充電器電壓和電流能力
· 灌入設(shè)備請求其中一個被廣播的 PDO
· 充電器接受被請求的 PDO
· 充電器按照商定的電壓和電流水平輸送功率
諸如前面提到的三星 5G 手機之類的先進(jìn)移動設(shè)備就是利用這種功能，使用兼容型充電器提供快充。對于設(shè)計快充旅行適配器和在其他產(chǎn)品中構(gòu)建充電站的制造商來說，要實現(xiàn)此類充電協(xié)議，通常需要開發(fā)能夠執(zhí)行協(xié)議并操作相關(guān)電源設(shè)備的控制器固件。然而，對于像 USB-C PD PPS 這樣的成熟標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)SM 解決方案提供了一個有效的替代方案，可以消除可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品交付延遲的固件開發(fā)需求。ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適應(yīng)充電器控制器采用了包括 PPS 在內(nèi)的 USB-C PD 3.0 FSM 實施，從而加快了充電器開發(fā)，以滿足下一代智能手機和其他大容量電池移動設(shè)備對快充的要求。
用于符合 USB-C PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的快速充電器的集成控制器
ON Semiconductor 的 FUSB3307 是一款集成電源控制器，無需外部處理器即可實現(xiàn) USB-C PD 3.0 PPS。除了電纜檢測、負(fù)載柵極驅(qū)動器、多種保護(hù)功能以及恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調(diào)節(jié)外，該器件還在硬件方面集成了完整的 PD 3.0 設(shè)備策略管理器、策略引擎、協(xié)議和 PHY 層。
FUSB3307 設(shè)計用于支持 AC/DC 和 DC/DC 充電器，可提供適合 PD 電源的全套響應(yīng)。因此，設(shè)計人員可以用 FUSB3307 和相對較少的其它設(shè)備、元件實現(xiàn)一個兼容 USB-C PD 3.0 的電源。
當(dāng)連接到灌入設(shè)備時，F(xiàn)USB3307 會自動檢測灌入設(shè)備和連接線的容量，并按照 USB-C 規(guī)格廣播其容量。當(dāng)灌入設(shè)備響應(yīng)可選擇支持 PDO 時，F(xiàn)USB3307 將啟用 VBUS 和控制電源電路，以確保將請求的充電電壓和電流水平輸送至灌入設(shè)備。
由于 FUSB3307 集成了全套控制功能，所以在 AC/DC 和 DC/DC 充電器設(shè)計中，其基本工作原理在概念上保持一致。為了響應(yīng)來自灌入設(shè)備的指令，充電器中的 FUSB3307 使用其 CATH 輸出引腳將反饋控制信號驅(qū)動至充電器功率級。在充電期間，F(xiàn)USB3307 使用 VFB 引腳監(jiān)測充電電壓，使用 IS+/IS- 引腳監(jiān)測流經(jīng)檢測電阻器的充電電流。這些監(jiān)測到的電平又被反饋至與電壓 (VFB) 和電流 (IFB) 引腳相連的內(nèi)部電壓和電流環(huán)路誤差電路。這些信號反過來控制 CATH 引腳，進(jìn)行 CV 和 CC 控制。FUSB3307 的 14 引腳小型集成電路 (SOIC) 封裝中的其他引腳支持負(fù)載柵極驅(qū)動器、USB-C 連接器接口和保護(hù)功能。
FUSB3307 充電器控制器簡化了充電器設(shè)計
當(dāng)然，每種類型充電器的設(shè)計都會針對初級 CATH 輸出、VFB 輸入和其他引腳使用不同的配置。在 AC/DC 壁插式充電器或 AC/DC 適配器中，F(xiàn)USB3307 將監(jiān)測次級側(cè)的電壓和電流，并將控制反饋驅(qū)動到初級側(cè)（圖 1）。
圖 1：在壁插式充電器或適配器的 AC/DC 設(shè)計中，F(xiàn)USB3307 通過隔離光耦控制 PWM 控制器來響應(yīng)來自灌入設(shè)備的不同充電電壓指令。（圖片來源：ON Semiconductor）
在這種充電設(shè)計中，F(xiàn)USB3307 CATH 輸出引腳通常會連接次級側(cè)的光耦陰極，以向初級側(cè)脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器提供反饋控制信號（ON Semiconductor 的 NCP1568）。在次級側(cè)，F(xiàn)USB3307 的電壓和電流的檢測輸入將監(jiān)控來自同步整流器控制器的輸出，如 ON Semiconductor 的 NCP4308。
例如，在汽車應(yīng)用中使用的 DC/DC 充電器設(shè)計中，F(xiàn)USB3307 直接控制 DC/DC 控制器。在這里，F(xiàn)USB3307 CATH 反饋信號連接 DC/DC 控制器，如 ON Semiconductor 的 NCV81599 補償 (COMP) 引腳（圖 2）。
圖 2：在車載充電器的 DC/DC 充電器設(shè)計中，F(xiàn)USB3307 直接控制 DC/DC 控制器的電壓輸出，根據(jù)諸如 5G 手機或其他移動設(shè)備等灌入設(shè)備的指令提高或降低輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）
ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板中，針對 FUSB3307 實現(xiàn)了這種特殊的 DC/DC 充電器設(shè)計。該板采用從單一直流電源操作的設(shè)計，提供了一個完整的充電器，符合 USB PD 3.0 與 PPS 要求，在從標(biāo)準(zhǔn)的最低 3.3 V 到最高 21 V 的 VBUS 水平下提供最高 5 A 的電流。
使用該評估板，開發(fā)人員能夠探索 FUSB3307 與符合 USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備以及傳統(tǒng) USB PD 2.0 設(shè)備之間的互動。通過監(jiān)控由評估板輸送到支持 USB-C PD 功能的設(shè)備上的 VBUS 電壓和電流，開發(fā)人員可以立即開始探索快充過程。類似設(shè)備如筆記本電腦或智能手機等。
對于 FUSB3307 與現(xiàn)成 USB PD 3.0 5G 手機交互的能力，以及手機使用 USB PD 3.0 PPS 協(xié)議來優(yōu)化其充電電壓和電流來說，這種方法提供了特別的內(nèi)涵。在對這種能力的一次演示中[1]，發(fā)現(xiàn)一臺現(xiàn)成的三星 S20 Ultra 5G 手機向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板發(fā)出一系列指令，以大步進(jìn)值和小步進(jìn)值修改充電電壓和電流（圖 3）。
圖 3：ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板展示了 FUSB3307 響應(yīng)現(xiàn)成的 5G 手機指令以微調(diào)其充電電壓和電流的能力。（圖片來源：ON Semiconductor）
在本演示中，評估板和手機連接后，5G 手機選擇基準(zhǔn) PDO（5.00 V，最大 5.00 A），如圖中前 10 秒所示。在這個階段，充電電壓 (VBUS) 為 5 V，5G 手機的充電電流 (IBUS) 約 2 A。然后，5G 手機請求更高的 PDO，聲明該充電器能夠在 4 A 條件下提供 8 V 電壓。FUSB3307 響應(yīng)請求并立即更改：VBUS 按要求跳到 8 V，IBUS 表現(xiàn)為逐漸增大，因為 5G 手機提高了 IBUS 電流。
在 VBUS 急劇跳動之后，PPS 可能帶來的充電功率增量就變得很明顯了。5G 手機大約每 210 毫秒 (ms) 就會請求 VBUS 增加 40 毫伏(mV)，從而逐漸將 VBUS 提升到更高的水平。當(dāng) IBUS 達(dá)到 4 A（圖中虛線綠線）時，F(xiàn)USB3307 使用標(biāo)準(zhǔn) PPS 協(xié)議發(fā)出警報信息，通知 5G 手機已達(dá)到所請求電流極限。5G 手機繼續(xù)發(fā)出請求，以 40 mV 的增量進(jìn)一步提高 VBUS，最終達(dá)到 9.8 V。日常使用中，這種自適應(yīng)充電器的充電能力可以實現(xiàn)快充所需的最大充電效率，而不會出現(xiàn)過熱或其他影響灌入設(shè)備的情況。
利用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，開發(fā)人員可立即探索 USB-C PD 在現(xiàn)有設(shè)備中的應(yīng)用，并擴展該板的相關(guān)參考設(shè)計，從而在符合 USB PD 3.0 規(guī)范的設(shè)備中實現(xiàn)快充定制。最重要的是，具體實施時不需要開發(fā)固件。通過 FUSB3307 器件，開發(fā)人員使用熟悉的電源技術(shù)來構(gòu)建一種能夠充分發(fā)揮下一代 5G 手機和其他兼容設(shè)備的快充優(yōu)勢的適配器。
結(jié)語
雖然 5G 手機給用戶帶來了豐富的新特性和功能體驗，但支持這些設(shè)備所需的更大容量電池已成為設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)。需要特別指出的是，他們需要確保旅行適配器和充電站提供快速充電，但又不會使手機過熱。
ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適應(yīng)充電控制器具有完全符合 USB PD 3.0 PPS 的功能——無需固件開發(fā)，即可提供直接的設(shè)計解決方案。通過將該控制器與常見的電源設(shè)備、組件相結(jié)合，開發(fā)人員就可快速實現(xiàn)一種適配器，以支持迅速擴大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手機和其他移動設(shè)備。 |
