USB Type-C 可编程电源(PPS)怎样满足5G智能手机快充需求？

shuszhao · 发表于 2021-5-10 15:02:42

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

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。