5G、快速充電和USB-C?可編程電源的融合

引言：當2016年推出100 W(USB3.0)充電時，消費者搖了搖頭。“誰會需要那么大的功率，而大多數(shù)智能手機都可以用10 W充電？”

好吧，如果在2020年最近發(fā)布的5G手機浪潮預(yù)示著未來的跡象，45 W智能手機充電器將會是司空見慣。

而隨著充電功率的提升，效率的重要性也在增加。USB-C (又稱USB Type C) 最新的PD 3.0規(guī)范，尤其是可編程電源(PPS)，是目前市場上效率最高的充電方案，也正因如此，將成為未來智能手機、平板電腦和筆記本電腦充電的首選。

PD 3.0 (PPS) 比PD 2.0優(yōu)勝之處

PD 2.0允許最多7個功率數(shù)據(jù)對象(PDOs)，用于揭示源端口的電源能力或匯源的功率需求，通過USB-C、CC引腳在PD信息中傳輸。

相比之下，PD 3.0，PPS提供了圖1所示的“電壓和電流范圍”PDO。

PPS的優(yōu)勢在于，與固定PDO相比，可以“更細粒度”地請求電壓/電流。這有助于優(yōu)化電源和功率耗散器之間的充電效率。

圖1

5G 智能手機電池尺寸

最近發(fā)布的一款5G智能手機配備了6.9英寸的屏幕和5000 mAh鋰離子電池容量，比之前的型號容量增加了25%。我猜測屏幕尺寸和5G都對增加電池尺寸起作用。

但無論如何，電池體積增加25%，意味著需要AC-DC旅行適配器(TA)提供更多的電量，才能繼續(xù)宣稱 "快速充電"。而USB-C PPS是達標的合理選擇。

快充

“快速充電”這個詞經(jīng)常被提到。傳統(tǒng)上，鋰離子充電可以在0.7 充電速率(C-rate)下安全完成。C-rate是簡單的充電電流除以電池容量。例如，0.7 C速率的充電電流對1000 mAh的電池來說是700 mA。

但是，通常將一塊空電池從0%充電到50%的充電狀態(tài)(SoC)需要約45分鐘(圖2)的充電時間(TTC)。這并不是那么快。

而且，您不能簡單地通過“提高電流”來改善TTC。以1-C速率給電池充電，而其數(shù)據(jù)表上寫的是0.7 C速率，這將導(dǎo)致電池過早老化，或可能導(dǎo)致永久性損壞。

請記住，根據(jù)其數(shù)據(jù)表，鋰離子電池必須在至少500次充電循環(huán)周期后保留至少80%的原始容量。

更快的充電時間(TTC)意味著更多的電量

為了改善TTC，電池制造商正在設(shè)計大于1 C速率的充電電池，或更快的充電。

這主要需要降低電池的內(nèi)部阻抗，以延長充電曲線在電池電壓達到最大電壓和充電曲線轉(zhuǎn)換到恒定電壓(CV)模式之前保持在恒定電流(CC)模式的時間(假設(shè)您從空電池開始充電)。

如圖2所示，通過以1 C速率與0.7 C速率充電，可以將0-50%的SoC TTC縮短15分鐘，如果采用1.5 C速率，則更快，可縮短至22分鐘。

不過，5000 mAh電池的1.5 C速率需要進行7.5 A充電和32.6 W（4.35 V×7.5 A）峰值充電功率。這在一個小空間里是很多的電量。

圖2

我并不了解最近發(fā)布的5G智能手機內(nèi)部的實際充電情況，但它確實在發(fā)貨時配備了一個25 W PPS充電器，并宣傳該手機接受45 W PPS充電器配件（圖3）。

如果我從45 W的旅行適配器開始，并假設(shè)從墻壁到電池的能效為80%左右（大概），那我就有~36 W的電量進入電池。~36W與計算出的32.6 W所需的~22分鐘、0%至50% SoC的充電時間相差不大，如上圖2所示。

值得一提的是，由于USB-C連接器的最大電流是5 A，為了達到7.5 A的IBAT，在5G手機內(nèi)部的USB Type-C連接器和電池充電器之間需要一個“除以2”的充電泵。

例如，TA可能輸出10 V/4 A，而電荷泵將輸出5 V/8 A（假設(shè)理想的功率損耗）。這有時被稱為HVLC（高電壓、低電流）。

正如物理學(xué)告訴我們的那樣，功率耗散是I2R ，所以從TA到手機（約1米長的電纜）以HVLC，比LVHC（低電壓高電流）的方式輸送功率是有好處的。

而隨著Type C連接器的到來，USB-C PD 2.0將VBUS最大電壓從5 V提高到20 V，實現(xiàn)了HVLC的方式。

圖3

嗅探筆記本PD 2.0流量

我可能無法測量電池充電器和電池之間的實際5G智能手機IBAT電流，但我可以用Total Phase?的PD嗅探器測量TA和5G智能手機之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。

但在我這樣做之前，讓我們在筆記本電腦和FUSB3307 USB Power Delivery 3.0自適應(yīng)源充電控制器60 W評估板(EVB)源之間嗅探VBUS/IBUS的PD 2.0，如下圖4所示。

在此設(shè)置中，筆記本電腦PD 2.0 Sink和FUSB3307 EVB PD 3.0源之間使用一條5 A電纜?？傁辔恍崽狡髋cFUSB3307 EVB和5 A電纜串聯(lián)插入。

連接后，F(xiàn)USB3307 EVB以4個固定PDO和3個PPS（增強型）PDO的形式宣傳其源能力。筆記本要求的是20 V/3 A的固定PDO，但最多只需要1.5 A。FUSB3307接受筆記本電腦的請求，電源合約完成。

在圖5中，您可看到VBUS(紅色)步入20 V，隨著筆記本電腦啟動(從空電池開始)，動態(tài)IBUS電流(藍色)上升到~1.3 A，或~30 W。

嗅探5G智能手機PD 3.0 PPS流量

現(xiàn)在讓我們把注意力轉(zhuǎn)向圖6和圖7，我將筆記本電腦與5G智能手機替換，源頭用100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。

5G智能手機最初請求并獲得一個5 V固定PDO，但大約7秒后，5G智能手機請求并獲得一個PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。

5G智能手機立即進入一個算法，即每隔210 msec將其請求的電壓(紅色)從8 V遞增到9.28 V，以40 mV的步長遞增，同時在約7秒的時間內(nèi)將電流(藍色)從2 A遞增(下沉)到4 A。而在整個充電過程中，5G智能手機還在繼續(xù)與FUSB3307源進行通信。

5G智能手機PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對比

筆記本電腦表現(xiàn)出的PD 2.0流量雖然有效，但相對簡單。在附加的第1秒內(nèi)，一個20 V/1.5 A的電源合約被協(xié)商并授予，沒有再觀察到PD流量。帶PPS的5G智能手機表現(xiàn)完全不同。

5G智能手機是一個復(fù)雜算法的主人，它不斷指示FUSB3307源改變其電壓輸出，因為5G智能手機巧妙地提升了其負載電流。

5G智能手機/FUSB3307的峰值功率是在附加后約60秒觀察到的，為37.68 W(9.6 V/3.925 A)。這與我估計的以1.5 C速率給電池充電所需的功率相差不大，或者說在電池上充電所需的功率為32.6 W (圖2)，以實現(xiàn)約22分鐘(0%至50%SoC)的TTC?，F(xiàn)在這就是快速充電。

高效快充的 "A、B、C"，以及PPS

5G和更大的屏幕推動了智能手機電池的增大，再加上客戶對 "快充 "的期待，對旅行適配器的功率要求更高，以最近發(fā)布的5G智能手機為例，功率達到45 W。

然而，功率耗散的增加將以熱量的形式跟蹤這種功率的增加。所以，現(xiàn)在能效變得比以往更加關(guān)鍵，這就是PPS的作用。

如果我們檢閱圖8的通用“墻到電池”鋰離子充電框圖，其目標是通過PMIC向系統(tǒng)提供電源，并通過電源路徑FET，將1S電池從空電(約3 V)充電到滿電(4.35 V)。

無論采用何種技術(shù)(開關(guān)式、線性式或旁路式)，如果電池充電器的輸入電壓(B)略高于其輸出電壓(C)，或 VBAT，那么電池充電器總是會以更高的能效工作。

而更復(fù)雜的是，VBAT總是一個移動的目標，原因有二：

1）電池電壓在從空電到滿電的充電過程中會上升，并且...

2）電池電壓隨著異步負載的變化而升降。

為了優(yōu)化能效，旅行適配器(TA)的輸出(A)電壓需要由Sink的MCU嚴格控制，現(xiàn)在MCU成為“充電算法主法”。

在通過電量計讀取VBAT和感測電荷泵VOUT之間，MCU策略管理器可以通過CC引腳，以20 mV的顆粒度(PPS)嚴密控制帶有PD協(xié)議信息的TA VOUT。

通過添加PPS，移動設(shè)備現(xiàn)在可以為更大的電池充電，更快、更安全、更高效。FUSB3307 EVB(圖9)成功支持5G智能手機的復(fù)雜PPS充電算法。

圖8

FUSB3307 評估板(EVB)

FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V直流輸入，并提供5 V – 20 V USB PD輸出，符合PD 2.0和PD 3.0規(guī)范，包括與可編程電源(PPS)。

FUSB3307是一款基于狀態(tài)機的PD控制器和USB-C端口控制器。因此不需要MCU，也不需要開發(fā)固件。而且沒有固件意味著防篡改，這在醫(yī)療應(yīng)用中是有利的。只需將其焊接下來，就能自主運行。

FUSB3307狀態(tài)機包括PD策略管理器，并通過FUSB3307 CATH輸出引腳驅(qū)動Comp輸入來控制NCV81599降壓-升壓。FUSB3307還自主控制VBUS FET。

圖9

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