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 智能手機的發展趨勢，它推動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越高，所以在滿足這一需求的功率水平下就可能會導致發熱過度。
在 USB Type-C® (USB-C) 電源傳輸 (PD) 3.0 中引入的可編程電源 (PPS) 功能有助于實現有效的解決方案，但所需的固件開發仍會拖延產品交付時間。
本文將介紹與 5G 手機快充相關的問題，以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何幫助設計人員高效地滿足更大容量電池的更快充電的要求。然后，還將介紹并展示開發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機 (FSM) 中實現 USB-C PD 3.0 PPS。這樣就不需要開發固件，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新的挑戰
據市場分析人士稱，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 服務的過程中，用戶會發現，現有的手機充電器和充電站已無法滿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 手機中已經看到的那樣，這些手機技術先進，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 (mAh) 電池。
消費者在期待大容量電池具有更長電池續航時間的同時，也希望充電時間會變得更短，而不是延長 25%。對于希望滿足汽車、家庭和辦公室對充電站日益增長的需求的制造商來說，面對電池自身的瓶頸，如何縮短高容量電池的充電時間已成為一個重大難題。
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。
更先進的電池技術可以支持大于 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給元器件造成壓力，并產生過大的熱負載。事實上，隨著 USB-C 作為電源和其他功能的行業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，移動設備制造商可以通過在電源輸入和電池充電電路之間插入一個充電泵來克服這種限制。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，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 可以實現更高的充電功率，但將充電電壓和電流設置固定，過高或過低都會導致充電效率低下，熱負載無法接受并對元器件造成壓力。實際上，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，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會不斷變化，因此如何保持最佳充電效率成為一個不小的挑戰。當電池放電時，電池電壓與 USB-C 充電電壓 (VBUS) 的差值會變大，會降低充電效率。反之，當電池充滿后，充電電路就需要降低充電電流來保護電池。
如果不能直接降低旅行適配器提供的充電水平，功率耗散會增加，從而效率降低，造成發熱。因此，最佳充電水平會不斷變化，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 功能旨在滿足在更高充電功率下對更高充電效率日益增長的需求，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優化充電效率。
PPS 的引入極大地改變了充電過程的工作方式。過去，充電器同時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 PPS，智能手機或其他灌入設備與充電器進行通信以優化功率輸送，從而通過包括如下簡短交互在內的協商協議來達成雙方同意的 PD“合同”。
· 充電器發現連接電纜是否具有 5 A 能力
· 充電器廣播其在多達 7 個 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 手機之類的先進移動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品中構建充電站的制造商來說，要實現此類充電協議，通常需要開發能夠執行協議并操作相關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有效的替代方案，可以消除可能導致最終產品交付延遲的固件開發需求。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 實施，從而加快了充電器開發，以滿足下一代智能手機和其他大容量電池移動設備對快充的要求。
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，無需外部處理器即可實現 USB-C PD 3.0 PPS。除了電纜檢測、負載柵極驅動器、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、元件實現一個兼容 USB-C PD 3.0 的電源。
當連接到灌入設備時，FUSB3307 會自動檢測灌入設備和連接線的容量，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，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路誤差電路。這些信號反過來控制 CATH 引腳，進行 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器、USB-C 連接器接口和保護功能。
FUSB3307 充電器控制器簡化了充電器設計
當然，每種類型充電器的設計都會針對初級 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 通過隔離光耦控制 PWM 控制器來響應來自灌入設備的不同充電電壓指令。（圖片來源：ON Semiconductor）
在這種充電設計中，FUSB3307 CATH 輸出引腳通常會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自同步整流器控制器的輸出，如 ON Semiconductor 的 NCP4308。
例如，在汽車應用中使用的 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 手機或其他移動設備等灌入設備的指令提高或降低輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）
ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板中，針對 FUSB3307 實現了這種特殊的 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，開發人員能夠探索 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。通過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，開發人員可以立即開始探索快充過程。類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 協議來優化其充電電壓和電流來說，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]，發現一臺現成的三星 S20 Ultra 5G 手機向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板發出一系列指令，以大步進值和小步進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 急劇跳動之后，PPS 可能帶來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（圖中虛線綠線）時，FUSB3307 使用標準 PPS 協議發出警報信息，通知 5G 手機已達到所請求電流極限。5G 手機繼續發出請求，以 40 mV 的增量進一步提高 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現快充所需的最大充電效率，而不會出現過熱或其他影響灌入設備的情況。
利用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，開發人員可立即探索 USB-C PD 在現有設備中的應用，并擴展該板的相關參考設計，從而在符合 USB PD 3.0 規范的設備中實現快充定制。最重要的是，具體實施時不需要開發固件。通過 FUSB3307 器件，開發人員使用熟悉的電源技術來構建一種能夠充分發揮下一代 5G 手機和其他兼容設備的快充優勢的適配器。
結語
雖然 5G 手機給用戶帶來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，但又不會使手機過熱。
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——無需固件開發，即可提供直接的設計解決方案。通過將該控制器與常見的電源設備、組件相結合，開發人員就可快速實現一種適配器，以支持迅速擴大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手機和其他移動設備。 |
