USB PD解決方案為用於行動裝置快速充電的電源適配器解決挑戰

2021-01-10 電子發燒友
USB PD解決方案為用於行動裝置快速充電的電源適配器解決挑戰

工程師曾玲 發表於 2018-10-02 17:53:00

智慧型手機等行動裝置的快速充電方式是當前增長最快的電源應用之一。新興的USB PD技術為行動裝置快速充電提供了卓越的性能，同時，它也給電源適配器帶來了設計和BOM成本上的挑戰。

為AC/DC電源優化的USB PD解決方案可以幫助解決這些挑戰。它們專門針對行動裝置USB PD等可攜式電源適配器進行了優化，能提供可靠、低成本的系統方案，並簡化適配器設計。

在本文中，我們將討論用於行動裝置快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰，以及為AC/DC電源優化的USB PD解決方案如何解決這些挑戰。

圖1顯示了行動裝置的AC/DC電源適配器的升級過程。

圖1. 行動裝置的AC/DC電源適配器之大趨勢

什麼是快速充電大多數手機和平板電腦都通過USB線充電。但是，USB指定電源電壓為5V，USB連接器有最大電流的物理上限。功率等於電壓乘以電流，更高的電壓可以帶來更多的充電功率而無需增加電流，因此快速充電的基本概念是動態地配置電壓。

系統從5V（USB電壓）開始，行動裝置與充電器協商更高的電壓，然後行動裝置從5V切換到9V、12V、20V或其他電壓值。

關鍵挑戰行動裝置的快速充電對電源適配器帶來了許多挑戰，其中成本、安全性和各種快速充電協議是最大的挑戰。

目前市場上有眾多不同的快速充電協議，包括高通Quick Charge™ 2.0/3.0（QC2.0/3.0）、聯發科技PumpExpress™ Plus（PE+ 1.0/2.0）、三星自適應快速充電（AFC）、華為快速充電協議（FCP）、針對直充的華為超級充電協議（SCP）、其他OEM廠商專有協議、USB Power Delivery（USB PD 2.0, 3.0）、USB-IF可編程電源（PPS）、高通Quick Charge™ 4+（QC4+）等等。

其他挑戰還包括：功率密度、恆壓恆流（CVCC）規範、效率、空載待機功耗、動態負載響應、音頻噪聲、用戶體驗和EMI / EMC共模噪聲等。

因此，理想的快速充電系統是能夠協商任何電流和任何電壓，不管協議如何，並克服電源適配器系統的各種挑戰。

USB PD和USB Type-C™USB Type-C™是一種新型連接器技術，可提供極大的擴展能力。它提供22引腳，而Type-A/Type-B連接器僅提供4引腳。它可以替代電源插座（100W），提供用於USB PD的額外引腳和更高的額定電流3A-5A，而Type-B的額定電流僅為2A。

USB Type-C™技術具有普遍通用性，且雙向可用，線纜兩端都是USB Type-C™連接頭，並且連接頭的插入沒有上下之分。它適用於所有移動、計算和電視應用，並得到所有主要消費類OEM廠商的支持。而且，它比Type-A小得多，可以實現更小尺寸的設計。

USB PD 2.0 標準功能USB PD是通過USB Type-C™連接器上的配置通道引腳（CC1 / CC2）運行的通信協議。USD PD 2.0通過USB PD供電數據對象（PDO）提供標準功能。標準PDO結構允許多達7個分立電壓電平（與每步電流限制相關）。有多種產品選項，可以涵蓋具有不同系統功能的PDO。

USB PD 擴展功能USB PD 3.0向後兼容USB PD 2.0，並增加了直接充電功能。它為可編程電源（PPS）模式提供了一種新型增強供電數據對象（APDO）。行動裝置可以高精度地在規定範圍內請求和控制電源適配器的輸出電壓，並實現可編程電流折返。它提供了一種新的支持直充和其他充電算法的機制。PPS需要20mV /step電壓解析度，最小電壓可降至3.3V。採用PPS設計的可攜式電源適配器可以直接為行動裝置內的電池充電，包括智慧型手機。這有助於解決行動裝置端電源管理的散熱和成本方面的挑戰。

圖2. PPS需要20mV /step電壓解析度

USB PD通過單根線纜提供更靈活的電力和數據傳輸，實現USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多個外設優化電源管理，並提供智能、靈活的系統級電源管理。

不過，行動裝置的AC/DC快速充電存在一些限制。傳統的USB PD解決方案未對AC/DC電源進行優化；有些功能超出需求（例如音頻模式，雙向功率流）。它們通常是基於DSP或MCU的，其內在控制器IC成本較高。它們需要許多外部元件和較高的系統BOM成本。它們還要求電源硬體工程師編寫軟體或固件。其系統設計流程通常很複雜，而且產品設計周期也很長。

首款為AC/DC優化的USB PD解決方案Dialog推出首款針對AC/DC優化的USB PD解決方案，該方案由iW1781（針對USB PD優化的一次側控制器），iW676（針對直充和USB PD優化的同步整流控制器）和iW656（USB PD2.0接口IC）組成。

圖3. 針對AC/DC優化的Dialog USB PD解決方案

為了推動向USB PD 3.0 / PPS的演進，Dialog進一步推出了iW656P和iW657P二次側接口IC。這兩款IC均支持USB PD 3.0和PPS協議。

iW656P與iW656引腳兼容，具有14個引腳的iW657P提供電流檢測功能，可實現額外的保護。與一次側控制器iW1791結合，該晶片組構成了優化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解決方案。

圖4. 由iW656P和iW657P二次側接口IC和一次側控制器iW1791組成的USB PD 3.0 / PPS

Dialog的關鍵AC/DC電源轉換技術

具有數字峰值電流模式控制的反激拓撲。

緊湊的多級恆壓和恆流調節，具有強大的保護功能。- 獲得專利的自適應多種模式PWM / PFM操作，可以平衡效率曲線，且不會產生聽得見的噪音。- 獲得專利的恆定頻率谷值模式切換（VMS），實現最高效率（如圖5所示）。- 次級側無電流檢測電阻。

專用於快速充電，具有專利的二次側到一次側數字通信。

經過優化，可與同步整流器（SR）配合使用，效率最高，空載待機功耗低於20mW。- @ 典型18W 5V3A 9V2A，滿載效率90％，平均> 88％，10％負載> 82％，符合CoC Ver5 Tier2和DOE 6級（可能因不同電源板設計的不同多級CVCC配置文件而有所差異）。

圖5. 測試波形展示了在整個負載範圍內具有多種模式PWM / PFM操作的恆定頻率VMS

為可攜式電源適配器簡化和優化的新型USB PD控制器

Dialog的iW656是第一款為可攜式電源適配器優化的USB PD晶片。它消除了不適用於電源的功能，集成了NMOS VBUS開關驅動器，可降低系統成本。iW656覆蓋3-20V的寬電壓範圍，通過了USB-IF認證，經過優化實現較低的控制器IC成本。通過提供具有不同PDO組合的多種產品選項，可靈活地支持豐富的系統級功能。

iW656P / iW657P提供iW656的全部功能，並支持USB PD 3.0、高通QuickCharge™ 4+、USB PPS和直接充電。它提供低至10mV /step的VBUS解析度、板載VBUS / TJ / VSD測量、和增強的USB Type-C™控制，包括對智能線纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測功能，可通過板載ADC測量次級電流，並與行動裝置通信，實現更智能的控制和保護。

圖6顯示了使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器的USB PD / PPS電源適配器設計示例。

圖6. 使用iW657P + iW1791 + iW676的USB PD/PPS電源適配器設計示例

這是單一PCB板實現完整的USB PD電源適配器設計，無需子板，而傳統的解決方案中通常需要用子板來託管基於MCU的USB PD控制器。該方案將外部元件數量降到了最低，實現了簡單的電源設計，並且無需編寫軟體或固件。其額定功率為27W。

如圖7所示，該設計採用5個PDO：5V3A、6V3A、7V3A、9V3A、12V2.25A。如圖8所示，一進入PPS模式後，該電源適配器生成的輸出電壓具有非常精細的解析度（小於20mV /step）。

圖7. 採用PDO的輸出VI特徵

圖8. 採用PPS的輸出VI特徵

強大的保護功能Dialog的解決方案提供強大的保護功能，包括過壓保護、過流保護、輸出短路保護、過溫保護、VBUS開關輸出短路保護（OSP）、主動放電、檢測，以及與行動裝置通信實現系統級控制和保護。

此外，它還提供雙層線纜保護：D+ / D- / CC1 / CC2過壓保護（iW656 / 656P / 657P）和SmartDefender™先進打嗝技術（iW1781 / 1791）。

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