USB Type-C可程式電源滿足5G手機快充需求

作者 : Bob Card, 安森美半導體先進方案部行銷經理

如果5G智慧型手機具有更大的螢幕、更大的鋰離子電池容量和快充功能,正預言著未來手機的發展,那麼USB Type-C的PD 3.0規範,尤其是可程式設計電源(PPS),將成為USB供電的首選...

如果最近的5G智慧型手機具有更大的螢幕、更大的鋰離子電池容量和「快速充電」(快充),正預言著未來手機的發展,那麼USB-C (USB Type-C)的PD 3.0規範,尤其是可程式設計電源(PPS),將成為USB供電的首選。

USB自1996年問世以來,在行動產品的資料傳輸、充電和供電的標準化方面佔有史無前例的領導地位。 USB技術的最大進展發生在2013年至2016年,當時USB委員會統一批准:

1: USB3.1 Super Speed + Gen 1 (5Gbps)和Gen 2 (10Gbps)資料通訊

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

3: Type C連接器(1.2版)

圖1:USB的演進

Type C連接器有24個接觸點(兩排各12個接觸點),設計用以處理高達100W、20V/5A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,為摒棄我們大家都討厭的纏結的「鼠跡網」(rats nest)式的傳統電纜帶來了希望。

100W…真的嗎?

從7.5W充電(USB3.0)到100W (USB 3.1)是個很大的突破。也許有人會問,當大多數行動裝置使用15W – 45W充電器正常運作時,誰真正需要100W? 然而,如果過去的情況能說明未來的趨勢,那麼未來的創新將比我們想像的更快消耗100W。

充電和供電很像供需經濟學。這是一種共生的關係,如果需求不增長,則供給不會增加,但如果供給不增加,就不能滿足需求。 將USB供電電源從7.5W提升至100W,只會使更多的裝置通過USB充電。

USB-C PD電力合約協議

在使用USB 3.1和Type C連接器之前,USB充電裝置通過D +和D-端子上的非資料訊息來識別USB充電埠。 儘管此方法在7.5W以內的功率下仍能很好地工作,但仍需要一種更精密、更強大的方法在USB 來源(source)和USB 接收端(sink)之間安全地傳輸達100 W(20V/5A)的功率。

USB 3.1、PD 2.0和Type C連接器共同通過source和sink之間的CC線導入了雙向、單線協議,橫跨source和sink之間的CC線(圖2),具有全面的訊息傳遞功能。 該PD訊息傳遞的一種用途是協商電力合約。 電力合約的協定很像從功能表上訂購餐廳的食物。 在使用隱式合約(最大15W)連接source和sink之後,如果兩個埠都具有PD功能,則必須建立顯式合約或PD 電力合約(最高100W)。

圖2:USB-C/PD電力合約

所有合規的>3A Type C電纜都必須包含電子標記的電纜或emarker。 因此,如果在電纜中檢測到emarker,具有>3A能力的訊號源可能要做的第一件事就是向emarker發送「發現身份」(Discover Identity)或SVID訊息。Sources和Sinks在開始接收到訊息時,會對SOP(資料封包開始Start of Packet)做出回應。 為了避免衝突,emarker在開始接收到訊息時對SOP做出回應。

一旦Sources得知電纜是否支援>3A的能力,它便會廣告其V/I功能,就像餐廳的點菜單一樣。 然後,sink請求廣告功能之一,類似餐廳的客人。 如果請求是可接受的,則Sources將提供合約約定的電力。 每次發送訊息時,訊息接收方都會向訊息發送方發送一條”Good CRC”訊息,通知發送方該訊息已接收無誤。

USB-C PD 2.0 vs. PD 3.0

PD 2.0允許最多7個功率資料物件(PDO),用於揭示source埠的電源能力或sink的電力需求,通過USB Type C、CC針腳在PD訊息中傳輸。 相形之下,PD 3.0、PPS提供圖3所示的「電壓和電流範圍」PDO。PPS的優勢在於,與固定PDO相較, sink可以更加精細的細微性來請求電壓/電流。 這有助於最佳化source和sink之間的充電效率。

 圖3:PD 2.0 3.0比較

5G智慧型手機電池尺寸

最近發佈的一款5G智慧型手機配備6.9吋大螢幕和5,000mAh鋰離子電池,與以前的型號相比,容量增加了25%。螢幕尺寸和5G都對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旅行配接器(TA)提供更多的電量,才能繼續宣傳「快充」能力。 而USB-C PPS是實現這功能的首選。

快充

過去,鋰離子充電在0.7充電速率(C-rate)下安全完成(C-rate是簡單的充電電流除以電池容量)。 例如, 0.7 C-rate的充電電流對1,000mAh電池來說是700mA。但是,通常將一塊空電池從0%充電到50%的充電狀態(SoC)需要約45分鐘(圖4)的充電時間(TTC)。這並不是那麼快,而且,您不能簡單地透過增加電流來改善TTC。當一個電池的資料表上標示它的充電0.7 C-rate時,以1C-rate充電會導致電池過早老化或可能導致永久性損壞。 根據其資料表,鋰離子電池必須在至少500次充電迴圈週期後,必須保留至少80%的原始容量。

TTC更快意味著更多電量

為了改善TTC,電池製造商正在設計大於1 C-rate的充電電池,或更快的充電。 這主要是為了降低電池的內部阻抗,以延長充電曲線在電池電壓達到最大電壓和充電曲線轉換到恆壓(CV)模式之前保持在恆定電流(CC)模式的時間(假設您從空電池開始充電)。如圖5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,以1.5 C-rate充電甚至可以更快,可縮短至22分鐘。 不過,5000 mAh電池的1.5 C-rate需要進行7.5A充電和32.6W (4.35V x 7.5A)峰值充電功率,這在一個小尺寸空間裡是很多的電量。

圖4:充電率與充電時間

儘管不瞭解最近發佈的5G智慧型手機內部的實際充電情況,但它確實配備了一個25W PPS充電器,並接受45W PPS充電器配件。如果您要使用45W旅行配接器,並假設從牆壁到電池的能效在80%左右,則約有36W電量進入電池。這與計算出的32.6W所需的22分鐘、0%至50% SoC的充電時間相差不大,如上圖 5所示。

值得一提的是,由於USB-C連接器的最大電流為5A,為了達到7.5A IBAT,在5G手機內部的Type C連接器和電池充電器之間需要一個「2分頻」充電泵(圖5)。例如,TA可能輸出10V/4A,而電荷泵將輸出5V/8A(假設理想的功率損耗)。有時將其稱為高電壓,低電流(HVLC)。正如物理學告訴我們的那樣,功率耗散為I2R,因此將功率從TA傳輸到手機(〜1m電纜),HVLC比低壓大電流(LVHC)更具「能效優勢」。隨著Type C連接器的問世,USB-C PD將VBUS的最大電壓從5V提高到20V,促成了HVLC的方式。

圖5:5G智慧型手機

 一探筆記型電腦PD 2.0流量

您可能無法測量5G智慧型手機內部電池充電器和電池之間的實際IBAT電流,但可使用Total Phase的PD探測器(sniffer)測量TA和5G智慧型手機之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。但在執行此操作前,您可在筆記型電腦和FUSB3307 60 W評估板(EVB) Source之間偵探VBUS/IBUS 的PD 2.0,如圖6所示。

在此展示中,筆記型電腦PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之間使用一條5A電纜。Total Phase探測器與FUSB3307 EVB和5A電纜串聯插入。連接後,FUSB3307 EVB以四個固定PDO和三個PPS (增強型) PDO的形式宣告其source能力。筆記型電腦請求使用20V/3 A的固定PDO,但最多只需要1.5A。 FUSB3307接受筆記型電腦的請求,電力合約完成。在圖7中,您可看到VBUS (紅色)從5V上升到20V,隨著筆記型電腦啟動(從空電池開始),動態IBUS電流(藍色)上升到〜1.3A或〜30W。

圖6:筆記型電腦展示

圖7:筆記型電腦VBUS V/I

 一探5G智慧型手機PD 3.0 PPS流量

從圖8和圖9來看,將筆記型電腦換成5G智慧型手機,source換成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。 5G智慧型手機最初請求並獲得一個5V固定PDO,但約7秒鐘後,5G智慧型手機請求並獲得一個PPS (3V至21V/5A) PDO。5G智慧型手機立即進入一個「演算法」,即每隔210毫秒,將其請求的電壓(紅色)從8V遞增到9.28V,以40mV的步長遞增,同時在約7秒的時間內將電流(藍色)從2A遞增(接收)到4A。 在整個充電過程中,5G智慧型手機持續與FUSB3307 source進行通訊。

圖8:5G智慧型手機展示 圖9:5G手機VBUS V/I

PPS電流限制(CL)警報

安全是供電(PD)的一個重要方面。在圖10中,當5G手機將請求的電源電壓(紅色)從8V增加到9.28V時,請求的最大工作電流為4A,FUSB3307 100W source向手機發送一條「警報」(Alert)訊息: 告知已達到4A「電流限制」(CL)。

圖10:PPS電流限制警報(CL)

5G手機PD 3.0與筆電PD 2.0流量的比較

筆記型電腦表現出的PD 2.0流量雖然有效,但相對簡單。在連接的第一秒內,協商並授予了20V/1.5A電力合約,沒有觀察到進一步的PD流量。帶PPS的5G智慧型手機表現完全不同。5G智慧型手機是精密演算法的主控器,它會不斷與FUSB3307 source通訊,指示它更改電壓輸出。實際上,PPS包括一個規定,在source和sink資訊傳遞之間有一個最長15秒的「保持活動」時間。因此,在PPS運作時,source和sink在CC接觸點上保持穩定的數位通訊。

5G智慧型手機/FUSB3307在連接後約60秒左右觀察到峰值功率為37.68W(9.6V/3.925A)。這與以1.5 C-rate為電池充電所需的估計功率相差不大,或者說在電池上充電所需的功率為32.6W,才能達到22分鐘左右的快速TTC (0%至50%SoC)。

高效快充的“ A、B、C” 和PPS

5G和更大的螢幕在推動智慧型手機電池的增大,再加上客戶對「快充」的期待,對旅行配接器的功率要求更高,達到45W。 然而,功率耗散的增加將以熱量的形式追蹤這種功率的增加。 因此,能效變得越來越關鍵, 這就是PPS的作用。

如果我們檢閱圖11的通用「牆到電池」(Wall to Battery)鋰離子充電方塊圖,目標是通過PMIC為系統供電,並通過功率路徑FET將1S電池從空充電量(〜3V)充至滿電量(4.35V)。 無論採用哪種技術(開關、線性或旁路),如果電池充電器的輸入電壓(B)略高於其輸出電壓(C)或VBAT,則電池充電器總是會以更高能效工作。 而更複雜的是,VBAT始終是個變化的目標,原因有二:

1)電池電壓在充電曲線從空電量到充滿的過程中會上升;

2)電池電壓隨著非同步負載的變化而升降。

為了最佳化能效,旅行配接器(TA)輸出(A)電壓需要由sink的MCU嚴格控制,現在MCU成為「充電演算法主控器」。 在通過電量計讀取VBAT和檢測電荷泵VOUT之間,MCU 策略管理器(Policy Manager)可通過CC接腳以20mV細微性(PPS)嚴格控制帶有PD協定訊息的TA VOUT。

添加PPS後,行動裝置現在可以更快、更安全、更高效地為更大的電池充電。例如安森美半導體的FUSB3307評估板(EVB)支持5G智慧型手機的精密PPS充電演算法。

圖11:高效快充的A、B、C

帶DC輸入的評估板

FUSB3307 EVB接受4.5V至32V直流(DC)輸入,並提供5V 至20V USB PD輸出,符合PD 2.0和PD 3.0規範,包括可程式設計電源(PPS)。 FUSB3307是基於狀態機的PD控制器和Type C埠控制器。 因此,不需要MCU或韌體開發。沒有韌體也意味著防篡改,這在醫療應用中是有利的。只需將其焊入,它就可自主運行。FUSB3307狀態機包括PD Policy Manager,並用FUSB3307 CATH輸出接腳驅動Comp輸入來控制安森美半導體的NCV81599降壓升壓。 FUSB3307還自主控制VBUS FET。

圖12:帶DC輸入的FUSB3307 EVB

帶AC輸入的FUSB3307 EVB

另外,FUSB3307可用作帶有AC輸入的PD 3.0 source。FUSB3307是基於狀態機的USB-C PD 3.0埠控制器,通過FODM8801BV光耦合器,用CATH輸出控制NCP1568 FB輸入來調節VBUS(5 V至20 V)。 同樣,FUSB3307自主控制VBUS FET。

總結

PPS具備一切:功率、安全和高能效。USB-C/PD 3.0的極精細的V/I細微性,高達100W (20V/5A) PPS可實現更高能效,用於5G智慧型手機快充(0至50% SoC約22分鐘)。 PPS還支持”Wall to Battery”的控制迴路架構,其中USB-C/PD sink通過Type C連接器的CC觸點上的雙向單線協定,採用智慧從屬旅行配接器,成為精密而安全的充電演算法的主控器。PPS source在恆壓(CV)模式(預設)或電流限制(CL)模式下運作,並在更改模式時透過警報資訊通知sink。 5G智慧型手機採用PPS的事實清楚地表明,PPS是首選,並將繼續存在。

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論