USB PD在移动设备快速充电中的新兴应用

作者：李勇时间：2018-08-27 来源：电子产品世界收藏

编者按：探讨用于移动设备快速充电的电源适配器所面临的主要挑战，以及为AC/DC电源优化的USB PD解决方案如何解决这些挑战。

作者/ 李勇博士 Dialog半导体公司系统和应用高级总监

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/201808/391166.htm

摘要：探讨用于移动设备快速充电的电源适配器所面临的主要挑战，以及为AC/DC电源优化的USB PD解决方案如何解决这些挑战。

　　智能手机等移动设备的快速充电方式是当前增长最快的电源应用之一。新兴的USB PD技术为移动设备快速充电提供了卓越的性能，同时，它也给电源适配器带来了设计和BOM成本上的挑战。

　　为AC/DC电源优化的USB PD解决方案可以帮助解决这些挑战(如图1)。它们专门针对移动设备USB PD等便携式电源适配器进行了优化，能提供可靠、低成本的系统方案，并简化适配器设计。

　　在本文中，我们将讨论用于移动设备快速充电的电源适配器所面临的主要挑战，以及为AC/DC电源优化的USB PD解决方案如何解决这些挑战。

　　图1显示了移动设备的AC/DC电源适配器的升级过程。

1 什么是快速充电

　　大多数手机和平板电脑都通过USB线充电。但是，USB指定电源电压为5V，USB连接器有最大电流的物理上限。功率等于电压乘以电流，更高的电压可以带来更多的充电功率而无需增加电流，因此快速充电的基本概念是动态地配置电压。系统从5V(USB电压)开始，移动设备与充电器协商更高的电压，然后移动设备从5V切换到9V、12V、20V或其他电压值。

2 关键挑战

　　移动设备的快速充电对电源适配器带来了许多挑战，其中成本、安全性和各种快速充电协议是最大的挑战。目前市场上有众多不同的快速充电协议，包括高通Quick Charge 2.0/3.0(QC2.0/3.0)、联发科技PumpExpress Plus(PE+ 1.0/2.0)、三星自适应快速充电(AFC)、华为快速充电协议(FCP)、针对直充的华为超级充电协议(SCP)、其他OEM厂商专有协议、USB Power Delivery(USB PD 2.0, 3.0)、USB-IF可编程电源(PPS)、高通Quick Charge 4+(QC4+)等等。其他挑战还包括：功率密度、恒压恒流(CVCC)规范、效率、空载待机功耗、动态负载响应、音频噪声、用户体验和EMI / EMC共模噪声等。

　　因此，理想的快速充电系统是能够协商任何电流和任何电压，不管协议如何，并克服电源适配器系统的各种挑战。

3 USB PD和USB Type-C

　　USB Type-C是一种新型连接器技术，可提供极大的扩展能力。它提供22引脚，而Type-A/Type-B连接器仅提供4引脚。它可以替代电源插座(100W)，提供用于USB PD的额外引脚和更高的额定电流3A-5A，而Type-B的额定电流仅为2A。

　　USB Type-C技术具有普遍通用性，且双向可用，线缆两端都是USB Type-C连接头，并且连接头的插入没有上下之分。它适用于所有移动、计算和电视应用，并得到所有主要消费类OEM厂商的支持。而且，它比Type-A小得多，可以实现更小尺寸的设计。

4 USB PD 2.0 标准功能

　　USB PD是通过USB Type-C连接器上的配置通道引脚(CC1 / CC2)运行的通信协议。USD PD 2.0通过USB PD供电数据对象(PDO)提供标准功能。标准PDO结构允许多达7个分立电压电平(与每步电流限制相关)。有多种产品选项，可以涵盖具有不同系统功能的PDO。

5 USB PD 扩展功能

　　USB PD 3.0向后兼容USB PD 2.0，并增加了直接充电功能。它为可编程电源(PPS)模式提供了一种新型增强供电数据对象(APDO)。移动设备可以高精度地在规定范围内请求和控制电源适配器的输出电压，并实现可编程电流折返。它提供了一种新的支持直充和其他充电算法的机制。PPS需要20mV /step电压分辨率(如图2)，最小电压可降至3.3V。采用PPS设计的便携式电源适配器可以直接为移动设备内的电池充电，包括智能手机。这有助于解决移动设备端电源管理的散热和成本方面的挑战。

　　USB PD通过单根线缆提供更灵活的电力和数据传输，实现USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多个外设优化电源管理，并提供智能、灵活的系统级电源管理。

　　不过，移动设备的AC/DC快速充电存在一些限制。传统的USB PD解决方案未对AC/DC电源进行优化;有些功能超出需求(例如音频模式，双向功率流)。它们通常是基于DSP或MCU的，其内在控制器IC成本较高。它们需要许多外部元件和较高的系统BOM成本。他们还要求电源硬件工程师编写软件或固件。其系统设计流程通常很复杂，而且产品设计周期也很长。

6 首款为AC/DC优化的USB PD解决方案

　　Dialog推出首款针对AC/DC优化的USB PD解决方案(如图3)，该方案由iW1781(针对USB PD优化的一次侧控制器)，iW676(针对直充和USB PD优化的同步整流控制器)和iW656(USB PD2.0接口IC)组成。

　　为了推动向USB PD 3.0 / PPS的演进，Dialog进一步推出了iW656P和iW657P二次侧接口IC。这两款IC均支持USB PD 3.0和PPS协议。iW656P与iW656引脚兼容，具有14个引脚的iW657P提供电流检测功能，可实现额外的保护。与一次侧控制器iW1791结合，该芯片组组成了优化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解决方案(如图4)。

7 Dialog的关键AC/DC电源转换技术

　　Dialog的关键AC/DC电源转换技术如下。

　　• 具有数字峰值电流模式控制的反激拓扑;

　　• 紧凑的多级恒压和恒流调节，具有强大的保护功能;

　　• 获得专利的自适应多种模式PWM / PFM操作，可以平衡效率曲线，且不会产生听得见的噪音;

　　• 获得专利的恒定频率谷值模式切换(VMS)，实现最高效率(如图5所示);

　　• 次级侧无电流检测电阻;

　　• 专用于快速充电，具有专利的二次侧到一次侧数字通信;

　　• 经过优化，可与同步整流器(SR)配合使用，效率最高，空载待机功耗低于20mW;

　　• 在典型18W 5V3A 9V2A时，满载效率90%，平均> 88%，10%负载> 82%，符合CoC Ver5 Tier2和DOE 6级(可能因不同电源板设计的不同多级CVCC配置文件而有所差异)。

8 为便携式电源适配器简化和优化的新型USB PD控制器

　　Dialog的iW656是第一款为便携式电源适配器优化的USB PD芯片。它消除了不适用于电源的功能，集成了NMOS VBUS开关驱动器，可降低系统成本。iW656覆盖3~20 V的宽电压范围，通过了USB-IF认证，经过优化实现较低的控制器IC成本。通过提供具有不同PDO组合的多种产品选项，可灵活地支持丰富的系统级功能。

　　iW656P / iW657P提供iW656的全部功能，并支持USB PD 3.0、高通QuickCharge 4+、USB PPS和直接充电。它提供低至10mV /step的VBUS 分辨率、板载VBUS / TJ / VSD测量、和增强的USB Type-C控制，包括对智能线缆的VCONN支持。iW657P还提供额外的电流检测功能，可通过板载ADC测量次级电流，并与移动设备通信，实现更智能的控制和保护。

　　图6显示了使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器的USB PD / PPS电源适配器设计示例。

　　这是单一PCB板实现完整的USB PD电源适配器设计，无需子板，而传统的解决方案中通常需要用子板来托管基于MCU的USB PD控制器。该方案将外部元件数量降到了最低，实现了简单的电源设计，并且无需编写软件或固件。其额定功率为27W。如图7所示，该设计采用5个PDO：5V3A、6V3A、7V3A、9V3A、12V2.25A。如图8所示，一进入PPS模式后，该电源适配器生成的输出电压具有非常精细的分辨率(小于20mV /step)。