【導(dǎo)讀】更大的顯示屏、更強(qiáng)的性能和更高的數(shù)據(jù)吞吐量是 5G 智能手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，它推動(dòng)了對(duì)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(jì)者面臨的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)充電方式效率低下，而消費(fèi)者對(duì)快速充電的期望又越來(lái)越高，所以在滿足這一需求的功率水平下就可能會(huì)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(shí)現(xiàn)有效的解決方案，但所需的固件開發(fā)仍會(huì)拖延產(chǎn)品交付時(shí)間。
本文將介紹與 5G 手機(jī)快充相關(guān)的問題，以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何幫助設(shè)計(jì)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 SemiconductorUSB-C 控制器，這種控制器可在有限狀態(tài)機(jī) (FSM) 中實(shí)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(qiáng)大的智能手機(jī)為快充適配器帶來(lái)新的挑戰(zhàn)
據(jù)市場(chǎng)分析人士稱，預(yù)計(jì)到 2023 年，5G 智能手機(jī)將占智能手機(jī)總出貨量的 50% 以上。然而在使用這些手機(jī)獲得 5G 服務(wù)的過程中，用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的手機(jī)充電器和充電站已無(wú)法滿足這種新一代智能手機(jī)的快充需求。
正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G手機(jī)中已經(jīng)看到的那樣，這些手機(jī)技術(shù)先進(jìn)，擁有更大的屏幕以及更強(qiáng)的處理能力，數(shù)據(jù)吞吐量也遠(yuǎn)超早期智能手機(jī)。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(jī)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(jī)型 25% 的 5000 毫安小時(shí) (mAh) 電池。
消費(fèi)者在期待大容量電池具有更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的同時(shí)，也希望充電時(shí)間會(huì)變得更短，而不是延長(zhǎng) 25%。對(duì)于希望滿足汽車、家庭和辦公室對(duì)充電站日益增長(zhǎng)的需求的制造商來(lái)說，面對(duì)電池自身的瓶頸，如何縮短高容量電池的充電時(shí)間已成為一個(gè)重大難題。
鋰離子 (Li-ion) 電池制造商對(duì)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(duì)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(huì)給元器件造成壓力，并產(chǎn)生過大的熱負(fù)載。事實(shí)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(huì)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(duì)于非 emarker 電纜，最大電流為 3 A）。
當(dāng)然，移動(dòng)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(gè)充電泵來(lái)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(shí)，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(duì)象 (PDO)，這些對(duì)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(shí)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(huì)導(dǎo)致充電效率低下，熱負(fù)載無(wú)法接受并對(duì)元器件造成壓力。實(shí)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(shí)，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(shí)會(huì)不斷變化，因此如何保持最佳充電效率成為一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。當(dāng)電池放電時(shí)，電池電壓與 USB-C 充電電壓 (VBUS) 的差值會(huì)變大，會(huì)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(lái)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(huì)增加，從而效率降低，造成發(fā)熱。因此，最佳充電水平會(huì)不斷變化，往往是以增量的方式變化，這就要求對(duì)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(duì)更高充電效率日益增長(zhǎng)的需求，允許被充電設(shè)備（電流灌入設(shè)備）請(qǐng)求充電器（電流拉出設(shè)備）以增強(qiáng)式 PDO 中公布的 mV 和 mA 步長(zhǎng)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(shí)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(jī)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(jiǎn)短交互在內(nèi)的協(xié)商協(xié)議來(lái)達(dá)成雙方同意的 PD“合同”。
1. 充電器發(fā)現(xiàn)連接電纜是否具有 5 A 能力
2. 充電器廣播其在多達(dá) 7 個(gè) PDO 中描述的充電器電壓和電流能力
3. 灌入設(shè)備請(qǐng)求其中一個(gè)被廣播的 PDO
4. 充電器接受被請(qǐng)求的 PDO
5. 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(jī)之類的先進(jìn)移動(dòng)設(shè)備就是利用這種功能，使用兼容型充電器提供快充。對(duì)于設(shè)計(jì)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(lái)說，要實(shí)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(duì)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(gè)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(shí)施，從而加快了充電器開發(fā)，以滿足下一代智能手機(jī)和其他大容量電池移動(dòng)設(shè)備對(duì)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(wú)需外部處理器即可實(shí)現(xiàn) USB-C PD 3.0 PPS。除了電纜檢測(cè)、負(fù)載柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)人員可以用 FUSB3307 和相對(duì)較少的其它設(shè)備、元件實(shí)現(xiàn)一個(gè)兼容 USB-C PD 3.0 的電源。
當(dāng)連接到灌入設(shè)備時(shí)，F(xiàn)USB3307 會(huì)自動(dòng)檢測(cè)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(shí)，F(xiàn)USB3307 將啟用 VBUS 和控制電源電路，以確保將請(qǐng)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(jì)中，其基本工作原理在概念上保持一致。為了響應(yīng)來(lái)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(hào)驅(qū)動(dòng)至充電器功率級(jí)。在充電期間，F(xiàn)USB3307 使用 VFB 引腳監(jiān)測(cè)充電電壓，使用 IS+/IS- 引腳監(jiān)測(cè)流經(jīng)檢測(cè)電阻器的充電電流。這些監(jiān)測(cè)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(hào)反過來(lái)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(dòng)器、USB-C 連接器接口和保護(hù)功能。
FUSB3307 充電器控制器簡(jiǎn)化了充電器設(shè)計(jì)
當(dāng)然，每種類型充電器的設(shè)計(jì)都會(huì)針對(duì)初級(jí) 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(cè)次級(jí)側(cè)的電壓和電流，并將控制反饋驅(qū)動(dòng)到初級(jí)側(cè)（圖 1）。
圖 1：在壁插式充電器或適配器的 AC/DC 設(shè)計(jì)中，F(xiàn)USB3307 通過隔離光耦控制 PWM 控制器來(lái)響應(yīng)來(lái)自灌入設(shè)備的不同充電電壓指令。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）
在這種充電設(shè)計(jì)中，F(xiàn)USB3307 CATH 輸出引腳通常會(huì)連接次級(jí)側(cè)的光耦陰極，以向初級(jí)側(cè)脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器提供反饋控制信號(hào)（ON Semiconductor 的 NCP1568）。在次級(jí)側(cè)，F(xiàn)USB3307 的電壓和電流的檢測(cè)輸入將監(jiān)控來(lái)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(jì)中，F(xiàn)USB3307 直接控制 DC/DC 控制器。在這里，F(xiàn)USB3307 CATH 反饋信號(hào)連接 DC/DC 控制器，如 ON Semiconductor 的NCV81599補(bǔ)償 (COMP) 引腳（圖 2）。
圖 2：在車載充電器的 DC/DC 充電器設(shè)計(jì)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(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備等灌入設(shè)備的指令提高或降低輸出。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）
ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評(píng)估板中，針對(duì) FUSB3307 實(shí)現(xiàn)了這種特殊的 DC/DC 充電器設(shè)計(jì)。該板采用從單一直流電源操作的設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)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(píng)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(dòng)。通過監(jiān)控由評(píng)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(jī)等。
對(duì)于 FUSB3307 與現(xiàn)成 USB PD 3.0 5G 手機(jī)交互的能力，以及手機(jī)使用 USB PD 3.0 PPS協(xié)議來(lái)優(yōu)化其充電電壓和電流來(lái)說，這種方法提供了特別的內(nèi)涵。在對(duì)這種能力的一次演示中[1]，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)現(xiàn)成的三星 S20 Ultra 5G 手機(jī)向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評(píng)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(píng)估板展示了 FUSB3307 響應(yīng)現(xiàn)成的 5G 手機(jī)指令以微調(diào)其充電電壓和電流的能力。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）
在本演示中，評(píng)估板和手機(jī)連接后，5G 手機(jī)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(gè)階段，充電電壓(VBUS) 為 5 V，5G 手機(jī)的充電電流 (IBUS) 約 2 A。然后，5G 手機(jī)請(qǐng)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(qǐng)求并立即更改：VBUS 按要求跳到 8 V，IBUS 表現(xiàn)為逐漸增大，因?yàn)?5G 手機(jī)提高了 IBUS 電流。
在 VBUS 急劇跳動(dòng)之后，PPS 可能帶來(lái)的充電功率增量就變得很明顯了。5G 手機(jī)大約每 210 毫秒 (ms)就會(huì)請(qǐng)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(shí)，F(xiàn)USB3307 使用標(biāo)準(zhǔn) PPS 協(xié)議發(fā)出警報(bào)信息，通知 5G 手機(jī)已達(dá)到所請(qǐng)求電流極限。5G 手機(jī)繼續(xù)發(fā)出請(qǐng)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(shí)現(xiàn)快充所需的最大充電效率，而不會(huì)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(píng)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(kuò)展該板的相關(guān)參考設(shè)計(jì)，從而在符合 USB PD 3.0 規(guī)范的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)快充定制。最重要的是，具體實(shí)施時(shí)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(lái)構(gòu)建一種能夠充分發(fā)揮下一代 5G 手機(jī)和其他兼容設(shè)備的快充優(yōu)勢(shì)的適配器。
結(jié)語(yǔ)：
雖然 5G 手機(jī)給用戶帶來(lái)了豐富的新特性和功能體驗(yàn)，但支持這些設(shè)備所需的更大容量電池已成為設(shè)計(jì)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(huì)使手機(jī)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(wú)需固件開發(fā)，即可提供直接的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一種適配器，以支持迅速擴(kuò)大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備。
來(lái)源：Stephen Evanczuk ，DigiKey
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