TA的每日心情 | 怒 3 天前 |
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如果说最近的5G智能手机具有更大的屏幕、更大的锂离子电池容量和“快速充电(快充)”等特点,是表明着未来手机的发展趋势,那么USB-C (USB Type-C)的PD 3.0规范,尤其是可编程电源(PPS),将成为USB供电的首选。
USB自1996年问世以来,在移动产品的数据通信、充电和供电的标准化方面提供了空前的领导地位。 USB技术的最大飞跃发生在2013年至2016年,当时USB委员会集体批准了:
1)USB3.1 Super Speed + Gen 1(5Gbps)和Gen 2(10Gbps)数据通信
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2)电源供电Power Delivery 2.0或PD,最高100 W或20 V / 5 A
3)Type C连接器(修订版1.2)
图1:USB的演进
Type C连接器有24个触点(两排各12个触点),设计用以处理高达100 W、20 V / 5 A的电流,以非常紧凑的外形尺寸(仅2.4mm高度)提供可正反逆插的插头插入和附件方向检测,,并承诺放弃我们都爱恨交加的传统电缆的纠缠“老鼠窝”。
100 W…真的吗?
从7.5 W充电(USB3.0)到100 W(USB 3.1)是个相当大的飞跃。 也许有人会问,当大多数移动设备使用15 W ~45 W充电器就能正常工作时,谁真的需要100 W?然而,如果过去的情况能说明未来的趋势,那么明天的创新将比我们想象的更快吞噬100 W。
充电和供电很像供需经济学。 这是一种共生关系,如果需求不增长,则供给不会增加,相反如果供给不增加,需求就会停滞不前。 将USB供电功率从7.5 W提升至100 W,只是让更多的设备通过USB充电。
USB-C PD电力协议
在使用USB 3.1和Type C连接器之前,USB充电设备通过D +和D-端子上的非数据信令来识别USB充电端口。虽然此方法在高达7.5 W的情况下也能正常工作,但要在USB 源(source)和USB 接收端(sink)之间安全地提供高达100 W(20 V / 5 A)的功率,则需要一种更精密、更强大的方法。
总的来说,USB 3.1、PD 2.0和Type C连接器引入了一种双线、单线协议,横跨source和sink之间的CC线(图2),具有全面的消息传递功能。 这种PD消息传递的一个用途是协商电力协议。 电力协议很像从菜单上订购餐厅食物。 在基于隐式协议(最大15 W)连接source和sink之后,如果两个端口都具有PD功能,则必须建立显式协议或PD 电力协议(最高100 W)。
图2:USB-C/PD电力协议
所有合规的大于3 A Type C电缆都必须包含电子标记的电缆或emarker。 因此,如果检测到电缆中的emarker,一个具有大于 3A能力的源设备可能做的第一件事就是向emarker发送“发现身份(Discover Identity)”或SVID消息。 Sources和Sinks在接收到消息开始时,会对一个SOP(数据包开始Start of Packet)做出响应。 为了避免冲突,emarker在接收到消息开始时对SOP’做出响应。
一旦Source了解到电缆是否具有大于 3A的能力,它便会广告其V / I功能,就像餐厅的菜单一样。 然后,sink请求源设备宣告的供电能力选项之一,类似于餐厅客户。 如果请求是可接受的,则Source将提供商定的电力。 每次发送消息时,消息接收方都会向消息发送方发送一条“ Good CRC”消息,通知发送方该消息已无误接收。
USB-C PD 2.0对比PD 3.0
PD 2.0允许最多7个功率选项(PDO),用于揭示source端口的电源能力或sink的电力需求,通过USB Type C、CC引脚在PD消息中传输。 相比之下,PD 3.0、PPS提供图3所示的“电压和电流范围” PDO。PPS的优势在于,与固定PDO相比, sink可以更加精细的步进值来请求电压/电流。 这有助于优化source和sink之间的充电效率。
图3:PD 2.0 对比 3.0
5G智能手机电池尺寸
最近发布的一款5G智能手机配备6.9英寸大屏幕和5,000 mAh锂离子电池,相比之前的型号电池容量因而增加了25%。 屏幕尺寸和5G都对电池尺寸的增加有影响。 电池尺寸增加25%意味着需要AC-DC旅行适配器(TA)提供更多的电量,才能继续宣传“快充”功能。 而USB-C PPS是实现这一功能的首选。
快充
传统上,锂离子充电在0.7的充电速率(C-rate)下安全完成(C-rate简单指充电电流除以电池容量)。 例如, 0.7C-rate的充电电流对1,000 mAh电池来说是700 mA。 但是,通常情况下,将一块空电池从0%充电到50%的充电状态(SoC)约需45分钟(图4)的充电时间(TTC)。这并不是那么快,而且,您不能简单地增加电流来改善TTC。,当一个电池的数据表上写明它的充电为0.7 C-rate时,以1 C-rate充电会导致电池过早老化,或可能导致永久性损坏。 而根据其数据表,锂离子电池在使用至少500次后,必须保留至少80%的原始容量。
更快的充电时间(TTC)意味着更多的电量
为了改善TTC,电池制造商正在设计大于1 C-rate的充电电池,或更快的充电解决方案。 这主要需要降低电池的内部阻抗,以延长充电曲线在电池电压达到最大电压和充电曲线转换到恒压(CV)模式之前保持在恒定电流(CC)模式的时间(假设您从空电池开始充电)。 如图5所示,0-50%的SoC TTC,以1 C-rate充电可比0.7 C-rate充电缩短15分钟,如以1.5 C rate充电则更快,可缩短至22分钟。 不过,5000 mAh电池的1.5 C-rate需要进行7.5 A充电和32.6W(4.35 V x 7.5 A)峰值充电功率。这在一个小空间里是很多的电量。
图4:充电率与充电时间
虽然不了解最近发布的5G智能手机内部的实际充电情况,但它确实配备了一个25 W PPS充电器,并接受45 W PPS充电器配件。如果您要使用45 W旅行适配器,并假设从墙壁到电池的能效在80%左右,则约有36 W电量进入电池。这与计算出的32.6 W所需的22分钟、0%至50% SoC的充电时间相差不大,如上图 5所示。
值得一提的是,由于USB-C连接器的最大电流为5 A,为了实现7.5 A IBAT,在5G手机内部的Type C连接器和电池充电器之间需要一个“半压”电荷泵(图5)。例如,TA可能输出10 V / 4 A,而电荷泵将输出5 V / 8 A(假设理想的功率损耗)。这有时被称为高电压,低电流(HVLC)。正如物理学告诉我们的那样,功率耗散为I2R,因此将功率从TA传输到手机(〜1米电缆),HVLC比低压大电流(LVHC)更具 “能效优势”。而随着Type C连接器的问世,USB-C PD将VBUS的最大电压从5 V提高到20 V,促成了HVLC的方式。图5:5G智能手机内部的半压电荷泵
分析笔记本电脑PD 2.0的流量
您可能无法测量电池充电器和电池之间的实际5G智能手机的内部IBAT电流,但可使用Total Phase的PD分析器(sniffer)测量TA和5G智能手机之间的VBUS电压和电流(IBUS)。但在执行此操作前,您可在笔记本电脑和FUSB3307 60 W评估板(EVB) Source之间分析VBUS / IBUS 的PD 2.0,如图6所示。
在此演示设置中,笔记本电脑PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之间使用一条5 A电缆。Total Phase分析器与FUSB3307 EVB和5 A电缆串联插入。连接后,FUSB3307 EVB以四个固定PDO和三个PPS(增强型)PDO的形式通告其source能力。笔记本电脑请求使用20 V / 3 A的固定PDO,但最多只需要1.5 A。 FUSB3307接受笔记本电脑的请求,电力协议完成。在图7中,您可看到VBUS(红色)从5 V上升到20 V,随着笔记本电脑启动(从空电池开始),动态IBUS电流(蓝色)上升到〜1.3 A或〜30 W。
图6:笔记本电脑演示
图7:根据图6的设计所示, 笔记本电脑的VBUS 及IBUS
分析5G智能手机PD 3.0 PPS的流量
从图8和图9来看,将笔记本电脑换成5G智能手机,source换成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。 5G智能手机最初请求并获得一个5 V固定PDO,但约7秒钟后,请求并获得一个PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。 5G智能手机立即进入 “算法”,即每隔210毫秒,将其请求的电压(红色)从8 V递增到9.28 V,以40 mV的步长递增,同时在约7秒的时间内将电流(蓝色)从2 A递增(接收)到4 A。 在整个充电过程中,5G智能手机持续与FUSB3307 source进行通信。图8:5G手机演示设置
图9:根据图8的设计所示, 5G手机的VBUS IBUS
PPS电流限制(CL)警报
安全是供电(PD)的一个重要方面。 在图10中,当5G手机将请求的电源电压(红色)从8 V增加到9.28 V时,请求的最大工作电流为4 A,FUSB3307 100 W source向手机发送一条``警报''信息:告知已达到4 A“电流限制”(CL)。
图10:PPS电流限制警报(CL)
5G智能手机PD 3.0与笔记本电脑PD 2.0流量对比分析
笔记本电脑表现出的PD 2.0流量虽然有效,但相对简单。在连接的第一秒内,协商并授予了20 V / 1.5 A电力协议,没有观察到进一步的PD流量。带PPS的5G智能手机表现则完全不同。5G智能手机是精密算法的主控器,它不断地与FUSB3307 source通信,指示它更改其电压输出,因此5G智能手机巧妙地地提高其负载电流。实际上,PPS包括一个规定,在source和sink信息传递之间有一个最长15秒的“保持活动”时间。因此,在PPS运行中,source和sink在CC触点上一直保持恒定的数字通信。
5G智能手机/FUSB3307在连接后60秒左右观察到峰值功率为37.68 W(9.6 V / 3.925 A)。这与以1.5 Crate给电池充电所需的估计功率相差不大,或者说在电池上充电所需的功率为32.6 W, 才能实现22分钟左右的快速TTC(0%至50% SoC)。
高效快充的充电细节 ,以及PPS
5G和更大的屏幕在推动智能手机电池的增大,再加上客户对“快充”的期待,对旅行适配器的功率要求更高,达到45 W。 然而,功率耗散的增加将以热量的形式跟随这种功率的增加。 因此,能效变得越来越关键, 这就是PPS的作用。
如果我们检阅图11的通用“墙到电池”锂离子充电框图,目标是通过PMIC为系统供电,并通过功率路径FET将1S电池从空充电量 (〜3V)充至满电(4.35V)。 无论采用哪种技术(开关、线性或旁路),如果电池充电器的输入电压(B)略高于其输出电压(C),或VBAT,则电池充电器总是会以更高能效工作。 而更复杂的是,VBAT总是一个流动目标,原因有二:
1)电池电压在由空到满的充电曲线中会上升,并且
2)电池电压随着异步负载的变化而升降。
为优化能效,旅行适配器(TA)的输出(A)电压需要由sink的MCU严格控制,现在MCU成为“充电算法主控器”。 在通过电量计读取VBAT和检测电荷泵VOUT之间,MCU 策略管理器(Policy Manager)可通过CC引脚用PD协议消息以20 mV的控制精度(PPS)对TA VOUT提供严格控制。
添加PPS后,移动设备现在可以更快、更安全、更高效地为更大的电池充电。 安森美半导体的FUSB3307评估板支持5G智能手机的精密PPS充电算法。图11:高效快充的细节说明
总结
PPS集功率、安全和高效于一身。
USB-C/PD 3.0的极精细的V/I步进,高达100 W(20 V/5 A)可编程电源(PPS),可实现更高能效,用于5G智能手机快充(0至50% SoC约22分钟)。 PPS还实现 “从墙到电池”的控制回路架构,其中USB-C/PD sink通过Type C连接器的CC触点上的双向单线协议,采用智能从属旅行适配器,成为精密而安全的充电算法的主控器。PPS source在恒压(CV)模式(默认)或电流限制(CL)模式下工作,并在更改模式时用警报信息通知sink。5G智能手机采用PPS的事实清楚地表明,PPS是首选,并将持续。 |
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