USB Type-C 可编程电源如何满足5G智能手机快充需求？收藏

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，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：USB3.1 Super Speed + Gen 1（5Gbps）和Gen 2（10Gbps）数据通信。

电源供电Power Delivery 2.0或PD，最高100 W或20 V / 5 AType 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，但如果供给不增加，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> 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> 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> 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 3.0PD 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 3.05G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，相比之前的型号容量因而增加了25％屏幕尺寸和5G都对电池尺寸的增加起到一定的作用。

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，0.7 C-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4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 4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的设计演示，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）PDO5G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 V/IPPS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 C-rate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“ A，B，C” ，以及PPS5G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，旅行适配器的输出电压（A）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引脚以20 mV的控制精度（PPS）严格控制带有PD协议消息的TA VOUT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带DC输入的FUSB3307评估板（EVB）FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V的DC输入，并提供5 V 至20 V 的USB PD输出，符合PD 2.0和PD 3.0规范，包括可编程电源（PPS）。

FUSB3307是基于状态机的PD控制器和Type C端口控制器因此，不需要MCU或固件开发没有固件也意味着防篡改，这在医疗应用中是有利的只需将其焊入，它就可自主运行FUSB3307状态机包括PD Policy Manager，并用FUSB3307 CATH输出引脚驱动Comp输入来控制安森美半导体的NCV81599降压升压。

FUSB3307还自主控制VBUS FET

图12：带DC输入的FUSB3307评估板（EVB）带AC输入的FUSB3307评估板（EVB）另外，FUSB3307可用作带有AC输入的PD 3.0 sourceFUSB3307是基于状态机的USB-C PD 3.0端口控制器，通过FODM8801BV光耦合器，用CATH输出控制NCP1568 FB输入来调节VBUS（5 V至20 V）。

同样，FUSB3307自主控制VBUS FET总结:PPS具备一切：功率、安全和高能效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

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