【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(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(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:
雖然 5G 手機(jī)給用戶帶來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。
來源:Stephen Evanczuk ,DigiKey
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