作者：Stephen Evanczuk

更大的顯示屏、更強的性能和更高的數據吞吐量是 5G 智能手機的發(fā)展趨勢，它推動(dòng)了對更大電池容量和快速充電能力的需求。如何突破傳統的充電方式是設計者面臨的挑戰，因為傳統充電方式效率低下，而消費者對快速充電的期望又越來(lái)越高，所以在滿(mǎn)足這一需求的功率水平下就可能會(huì )導致發(fā)熱過(guò)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)現有效的解決方案，但所需的固件開(kāi)發(fā)仍會(huì )拖延產(chǎn)品交付時(shí)間。

本文將介紹與 5G 手機快充相關(guān)的問(wèn)題，以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何幫助設計人員高效地滿(mǎn)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(kāi)發(fā)人員如何使用高度集成的 ON Semiconductor USB-C 控制器，這種控制器可在有限狀態(tài)機 (FSM) 中實(shí)現 USB-C PD 3.0 PPS。這樣就不需要開(kāi)發(fā)固件，從而能夠加快下一代充電器的快充功能。

更強大的智能手機為快充適配器帶來(lái)新的挑戰

據市場(chǎng)分析人士稱(chēng)，預計到 2023 年，5G 智能手機將占智能手機總出貨量的 50% 以上。然而在使用這些手機獲得 5G 服務(wù)的過(guò)程中，用戶(hù)會(huì )發(fā)現，現有的手機充電器和充電站已無(wú)法滿(mǎn)足這種新一代智能手機的快充需求。

正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G 手機中已經(jīng)看到的那樣，這些手機技術(shù)先進(jìn)，擁有更大的屏幕以及更強的處理能力，數據吞吐量也遠超早期智能手機。為了配合其更大的屏幕和相應更高的功耗，現有的 5G 手機已經(jīng)用了更大型的電池。例如，三星 S20 Ultra 5G 的屏幕尺寸達到 6.9 英寸，采用了容量超上代機型 25% 的 5000 毫安小時(shí) (mAh) 電池。

消費者在期待大容量電池具有更長(cháng)電池續航時(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(cháng) 25%。對于希望滿(mǎn)足汽車(chē)、家庭和辦公室對充電站日益增長(cháng)的需求的制造商來(lái)說(shuō)，面對電池自身的瓶頸，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) 電池制造商對充電電流和電壓規定了嚴格的閾值。一塊額定容量為 1000 mAh 的傳統鋰離子電池，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備都需要適應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中也會(huì )給元器件造成壓力，并產(chǎn)生過(guò)大的熱負載。事實(shí)上，隨著(zhù) USB-C 作為電源和其他功能的行業(yè)標準接口已被廣泛接受，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備提供電纜信息的 emarker IC。（對于非 emarker 電纜，最大電流為 3 A）。

當然，移動(dòng)設備制造商可以通過(guò)在電源輸入和電池充電電路之間插入一個(gè)充電泵來(lái)克服這種限制。例如，為了支持 7.5 A 充電系統，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 規范定義了一系列固定的功率傳輸對象 (PDO)，這些對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)現更高的充電功率，但將充電電壓和電流設置固定，過(guò)高或過(guò)低都會(huì )導致充電效率低下，熱負載無(wú)法接受并對元器件造成壓力。實(shí)際上，當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。當電池放電時(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，當電池充滿(mǎn)后，充電電路就需要降低充電電流來(lái)保護電池。

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，這就要求對充電電壓和電流進(jìn)行相應的增量控制，以達到最高效率。

USB-C PD 3.0 PPS 如何提高效率？

USB-C PD 3.0 PPS 功能旨在滿(mǎn)足在更高充電功率下對更高充電效率日益增長(cháng)的需求，允許被充電設備（電流灌入設備）請求充電器（電流拉出設備）以增強式 PDO 中公布的 mV 和 mA 步長(cháng)值增大或減小充電電壓和電流。利用這種功能，灌入設備可以調整其拉出設備的電壓和電流以?xún)?yōu)化充電效率。

PPS 的引入極大地改變了充電過(guò)程的工作方式。過(guò)去，充電器同時(shí)控制和執行充電算法。采用 PPS 后，充電算法的控制權轉移到灌入設備，要求充電器按照灌入設備的指令執行算法。

通過(guò) PPS，智能手機或其他灌入設備與充電器進(jìn)行通信以?xún)?yōu)化功率輸送，從而通過(guò)包括如下簡(jiǎn)短交互在內的協(xié)商協(xié)議來(lái)達成雙方同意的 PD“合同”。

· 充電器發(fā)現連接電纜是否具有 5 A 能力
· 充電器廣播其在多達 7 個(gè) PDO 中描述的充電器電壓和電流能力
· 灌入設備請求其中一個(gè)被廣播的 PDO
· 充電器接受被請求的 PDO
· 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 手機之類(lèi)的先進(jìn)移動(dòng)設備就是利用這種功能，使用兼容型充電器提供快充。對于設計快充旅行適配器和在其他產(chǎn)品中構建充電站的制造商來(lái)說(shuō)，要實(shí)現此類(lèi)充電協(xié)議，通常需要開(kāi)發(fā)能夠執行協(xié)議并操作相關(guān)電源設備的控制器固件。然而，對于像 USB-C PD PPS 這樣的成熟標準，FSM 解決方案提供了一個(gè)有效的替代方案，可以消除可能導致最終產(chǎn)品交付延遲的固件開(kāi)發(fā)需求。ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適應充電器控制器采用了包括 PPS 在內的 USB-C PD 3.0 FSM 實(shí)施，從而加快了充電器開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足下一代智能手機和其他大容量電池移動(dòng)設備對快充的要求。

用于符合 USB-C PD 3.0 標準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(wú)需外部處理器即可實(shí)現 USB-C PD 3.0 PPS。除了電纜檢測、負載柵極驅動(dòng)器、多種保護功能以及恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調節外，該器件還在硬件方面集成了完整的 PD 3.0 設備策略管理器、策略引擎、協(xié)議和 PHY 層。

FUSB3307 設計用于支持 AC/DC 和 DC/DC 充電器，可提供適合 PD 電源的全套響應。因此，設計人員可以用 FUSB3307 和相對較少的其它設備、元件實(shí)現一個(gè)兼容 USB-C PD 3.0 的電源。

當連接到灌入設備時(shí)，FUSB3307 會(huì )自動(dòng)檢測灌入設備和連接線(xiàn)的容量，并按照 USB-C 規格廣播其容量。當灌入設備響應可選擇支持 PDO 時(shí)，FUSB3307 將啟用 VBUS 和控制電源電路，以確保將請求的充電電壓和電流水平輸送至灌入設備。

由于 FUSB3307 集成了全套控制功能，所以在 AC/DC 和 DC/DC 充電器設計中，其基本工作原理在概念上保持一致。為了響應來(lái)自灌入設備的指令，充電器中的 FUSB3307 使用其 CATH 輸出引腳將反饋控制信號驅動(dòng)至充電器功率級。在充電期間，FUSB3307 使用 VFB 引腳監測充電電壓，使用 IS+/IS- 引腳監測流經(jīng)檢測電阻器的充電電流。這些監測到的電平又被反饋至與電壓 (VFB) 和電流 (IFB) 引腳相連的內部電壓和電流環(huán)路誤差電路。這些信號反過(guò)來(lái)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載柵極驅動(dòng)器、USB-C 連接器接口和保護功能。

FUSB3307 充電器控制器簡(jiǎn)化了充電器設計

當然，每種類(lèi)型充電器的設計都會(huì )針對初級 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，FUSB3307 將監測次級側的電壓和電流，并將控制反饋驅動(dòng)到初級側（圖 1）。

圖 1：在壁插式充電器或適配器的 AC/DC 設計中，FUSB3307 通過(guò)隔離光耦控制 PWM 控制器來(lái)響應來(lái)自灌入設備的不同充電電壓指令。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）

在這種充電設計中，FUSB3307 CATH 輸出引腳通常會(huì )連接次級側的光耦陰極，以向初級側脈寬調制 (PWM) 控制器提供反饋控制信號（ON Semiconductor 的 NCP1568）。在次級側，FUSB3307 的電壓和電流的檢測輸入將監控來(lái)自同步整流器控制器的輸出，如 ON Semiconductor 的 NCP4308。

例如，在汽車(chē)應用中使用的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 直接控制 DC/DC 控制器。在這里，FUSB3307 CATH 反饋信號連接 DC/DC 控制器，如 ON Semiconductor 的 NCV81599 補償 (COMP) 引腳（圖 2）。

圖 2：在車(chē)載充電器的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 直接控制 DC/DC 控制器的電壓輸出，根據諸如 5G 手機或其他移動(dòng)設備等灌入設備的指令提高或降低輸出。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）

ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板中，針對 FUSB3307 實(shí)現了這種特殊的 DC/DC 充電器設計。該板采用從單一直流電源操作的設計，提供了一個(gè)完整的充電器，符合 USB PD 3.0 與 PPS 要求，在從標準的最低 3.3 V 到最高 21 V 的 VBUS 水平下提供最高 5 A 的電流。

使用該評估板，開(kāi)發(fā)人員能夠探索 FUSB3307 與符合 USB PD 3.0 標準的設備以及傳統 USB PD 2.0 設備之間的互動(dòng)。通過(guò)監控由評估板輸送到支持 USB-C PD 功能的設備上的 VBUS 電壓和電流，開(kāi)發(fā)人員可以立即開(kāi)始探索快充過(guò)程。類(lèi)似設備如筆記本電腦或智能手機等。

對于 FUSB3307 與現成 USB PD 3.0 5G 手機交互的能力，以及手機使用 USB PD 3.0 PPS 協(xié)議來(lái)優(yōu)化其充電電壓和電流來(lái)說(shuō)，這種方法提供了特別的內涵。在對這種能力的一次演示中[1]，發(fā)現一臺現成的三星 S20 Ultra 5G 手機向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板發(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 評估板展示了 FUSB3307 響應現成的 5G 手機指令以微調其充電電壓和電流的能力。（圖片來(lái)源：ON Semiconductor）

在本演示中，評估板和手機連接后，5G 手機選擇基準 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 手機的充電電流 (IBUS) 約 2 A。然后，5G 手機請求更高的 PDO，聲明該充電器能夠在 4 A 條件下提供 8 V 電壓。FUSB3307 響應請求并立即更改：VBUS 按要求跳到 8 V，IBUS 表現為逐漸增大，因為 5G 手機提高了 IBUS 電流。

在 VBUS 急劇跳動(dòng)之后，PPS 可能帶來(lái)的充電功率增量就變得很明顯了。5G 手機大約每 210 毫秒 (ms) 就會(huì )請求 VBUS 增加 40 毫伏(mV)，從而逐漸將 VBUS 提升到更高的水平。當 IBUS 達到 4 A（圖中虛線(xiàn)綠線(xiàn)）時(shí)，FUSB3307 使用標準 PPS 協(xié)議發(fā)出警報信息，通知 5G 手機已達到所請求電流極限。5G 手機繼續發(fā)出請求，以 40 mV 的增量進(jìn)一步提高 VBUS，最終達到 9.8 V。日常使用中，這種自適應充電器的充電能力可以實(shí)現快充所需的最大充電效率，而不會(huì )出現過(guò)熱或其他影響灌入設備的情況。

利用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，開(kāi)發(fā)人員可立即探索 USB-C PD 在現有設備中的應用，并擴展該板的相關(guān)參考設計，從而在符合 USB PD 3.0 規范的設備中實(shí)現快充定制。最重要的是，具體實(shí)施時(shí)不需要開(kāi)發(fā)固件。通過(guò) FUSB3307 器件，開(kāi)發(fā)人員使用熟悉的電源技術(shù)來(lái)構建一種能夠充分發(fā)揮下一代 5G 手機和其他兼容設備的快充優(yōu)勢的適配器。

結語(yǔ)

雖然 5G 手機給用戶(hù)帶來(lái)了豐富的新特性和功能體驗，但支持這些設備所需的更大容量電池已成為設計者面臨的挑戰。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 )使手機過(guò)熱。

ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適應充電控制器具有完全符合 USB PD 3.0 PPS 的功能——無(wú)需固件開(kāi)發(fā)，即可提供直接的設計解決方案。通過(guò)將該控制器與常見(jiàn)的電源設備、組件相結合，開(kāi)發(fā)人員就可快速實(shí)現一種適配器，以支持迅速擴大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手機和其他移動(dòng)設備。