典型的MCU+DC-DC架構(gòu)的移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

PD快充的發(fā)展

PD全稱PowerDelivery，中文意思為電源傳輸管理。

2014年8月，USB-IF發(fā)布了極具革命性意義的TYPE-C 1.0接口標(biāo)準(zhǔn)和USB PD2.0標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了在專用的通信線CC上，進(jìn)行USB PD通信信號(hào)傳輸。

2017年2月，USB-IF發(fā)布了USB PD3.0的重要更新，旨在一統(tǒng)快速充電技術(shù)規(guī)范的PPS(Programmable Power Supply)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高通QC4.0/3.0、聯(lián)發(fā)科PE3.0/2.0、華為/OPPO等方案的收編。

2017年10月，iPhone8、iPhoneX發(fā)布，宣布支持PD快充協(xié)議，PD普及步入快車道

USB-IF推廣PD的目的是統(tǒng)一快速充電協(xié)議，從市場(chǎng)的變化來(lái)看，也正在朝這個(gè)方向發(fā)展，高通QC4.0協(xié)議和MTK3.0協(xié)議都采用了PD3.0的PHY層設(shè)計(jì)。不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)，從多協(xié)議并存到統(tǒng)一至少還需要2-3年時(shí)間，在此期間，多協(xié)議仍然是配件市場(chǎng)的發(fā)展主流，而在眾多協(xié)議之中，PD協(xié)議將會(huì)是客戶的硬性指標(biāo)。

選擇合適的架構(gòu)

要設(shè)計(jì)一款好的PD移動(dòng)電源，選擇合適的架構(gòu)非常重要。目前市面上主要有硬件SOC、軟件SOC、MCU+DC-DC三種架構(gòu)：

就移動(dòng)電源架構(gòu)而言，并沒(méi)有“絕對(duì)的最優(yōu)與最差”，更多在于“誰(shuí)最能解決客戶的痛點(diǎn)”以及“誰(shuí)最能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求”。

軟件SOC架構(gòu)

軟件SoC架構(gòu)是把MCU和DC-DC集成在同一顆SoC芯片上，既滿足靈活性的需求，也有集成度高、外圍器件少的特點(diǎn)。但MCU和DC-DC兩種技術(shù)的發(fā)展路線完全不同，工藝差異也很大，要在同一顆芯片上集成MCU和DC-DC，做到高可靠性難度非常大。目前，還沒(méi)有特別成熟穩(wěn)定的軟件SOC PD芯片。因此，建議謹(jǐn)慎選用軟件SOC的架構(gòu)的PD移動(dòng)電源方案。

硬件SOC架構(gòu)

硬件SOC架構(gòu)把PD協(xié)議固化成硬件，具有成本低、開(kāi)發(fā)速度快的特點(diǎn)。很多人認(rèn)為在不追求功能多樣化的情況下，硬件SOC是最好的選擇，這往往是他們忽略了PD協(xié)議的發(fā)展過(guò)程以及PD協(xié)議的完整性。PD協(xié)議的完整性，在于提供了電能和數(shù)據(jù)、音視頻傳輸?shù)耐暾麉f(xié)議框架，同時(shí)又留有VDM，即自定義數(shù)據(jù)包功能，讓企業(yè)可以進(jìn)行私有協(xié)議處理，以及電池管理、固件升級(jí)、私有加密等，所以各家產(chǎn)品依然有協(xié)議的“私有”成份存在，未完全統(tǒng)一。因此，即便你的產(chǎn)品過(guò)了認(rèn)證，也未必能兼容市面上的所有設(shè)備。也許有人會(huì)說(shuō)，我的產(chǎn)品已經(jīng)獲得了USB-IF的認(rèn)可，不兼容那是設(shè)備的問(wèn)題，不是我產(chǎn)品的問(wèn)題。然而，終端用戶并不會(huì)考慮你的產(chǎn)品認(rèn)證不認(rèn)證，只會(huì)看你的產(chǎn)品能不能給自己的終端進(jìn)行充電。所以從PD協(xié)議的發(fā)展過(guò)程以及完整性考慮，目前并不推薦選用硬件SOC設(shè)計(jì)PD移動(dòng)電源產(chǎn)品。

MCU+DC-DC架構(gòu)

目前看來(lái)，PD產(chǎn)品的成熟周期至少需要2-3年時(shí)間，在此之前，PD協(xié)議的靈活性對(duì)于產(chǎn)品的兼容性尤為重要，而能夠同時(shí)兼顧可靠性與兼容性的架構(gòu)正是MCU+DC-DC架構(gòu)。目前市面上的一線主流PD半導(dǎo)體廠商，如賽普拉斯、TI、芯海科技等，皆是采用MCU+DC-DC的架構(gòu)。

典型的MCU+DC-DC架構(gòu)的移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

相對(duì)于其它的架構(gòu)，MCU+DC-DC架構(gòu)主要特點(diǎn)是：

MCU性能強(qiáng)大、協(xié)議全、升級(jí)空間大

MCU+DC-DC架構(gòu)都會(huì)選用性能強(qiáng)大的MCU作為主體，以芯海科技的Smart PD MCU CSS32G020為例，選用ARM? Cortex?-M0內(nèi)核，支持PD3.0 PPS等各種常用的快充協(xié)議。芯片集成多種協(xié)議PHY層，通訊內(nèi)容可通過(guò)軟件進(jìn)行升級(jí)，可以適應(yīng)市面上的多種手機(jī)的快速充電需求。

資源豐富，靈活度高

對(duì)于目前的PD移動(dòng)電源一般都是A口與C口同時(shí)存在，協(xié)議分配一般是PD協(xié)議放C口，其他快充協(xié)議放A。但是對(duì)于兩個(gè)口同時(shí)接設(shè)備的場(chǎng)景，不同的客戶對(duì)這部分的功能定義不一樣。

從功能定義角度出發(fā)，對(duì)于PD移動(dòng)電源核心功能是PD快充，無(wú)論什么情況下C口的輸出功率都不應(yīng)該受A口的影響，否則很多設(shè)備（如筆記本）因?yàn)镃口降功率而無(wú)法充電。對(duì)于這部分的客戶需求為：任意一個(gè)口接設(shè)備都有快充，A口和C口都接設(shè)備時(shí)，C口保持快充，A口只輸出5V。

從成本定義角度出發(fā)，兩個(gè)口同時(shí)接設(shè)備保持PD輸出成本太高，這部分客戶需求為：任意一個(gè)口接設(shè)備都有快充，A口和C口都接設(shè)備時(shí)只能共同輸出5V。

進(jìn)入快充時(shí)代，移動(dòng)電源的定義再也不會(huì)像傳統(tǒng)移動(dòng)電源那樣功能單一，不同的客戶對(duì)于多口控制的邏輯需求會(huì)不一樣，另外還有顯示方式，報(bào)警方式，控制方式都會(huì)有不同的需求。

而對(duì)于功能定制化，恰恰是MCU的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)，可以支援到客戶的多樣化需求。

免拆機(jī)固件升級(jí)功能

傳統(tǒng)的移動(dòng)電源產(chǎn)品，如果因?yàn)榧嫒菪浴f(xié)議升級(jí)、客戶需求變更等問(wèn)題，需要升級(jí)固件，只能回收-拆殼-重新燒寫固件，成本非常高。PD3.0V1.1定義了固件升級(jí)功能的規(guī)范，就是為了解決這個(gè)問(wèn)題，是PD3.0對(duì)PD2.0的一個(gè)重大升級(jí)。由于PD協(xié)議具有發(fā)展速度快和允許私有化的特性，固件升級(jí)的需求會(huì)更多。

芯海科技的CSS32G020很好的解決這個(gè)問(wèn)題：通過(guò)TYPE-C接口升級(jí)固件。如果遇到需要升級(jí)固件的情況，無(wú)需拆機(jī)，把產(chǎn)品通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到PC就可實(shí)現(xiàn)升級(jí)，這是硬件SOC架構(gòu)所無(wú)法比擬的。

快速開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)成本高，一直是MCU+DC-DC方案的痛點(diǎn)。特別是PD協(xié)議動(dòng)輒上百頁(yè)的英文資料，對(duì)軟件工程師是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了解決客戶的這個(gè)痛點(diǎn)，芯海科技專門推出了Smart PD圖形化開(kāi)發(fā)工具。用戶無(wú)需了解PD規(guī)格的細(xì)節(jié)，也不用學(xué)習(xí)軟件開(kāi)發(fā)，只做簡(jiǎn)單的勾選配置，就可以完成PD移動(dòng)電源的軟件開(kāi)發(fā)?？梢栽O(shè)置的內(nèi)容包括PDO、RDO、VDM、企業(yè)專用VID、PID、TID等信息，以及移動(dòng)電源的各項(xiàng)參數(shù)，譬如：過(guò)流值、過(guò)壓值、溫度保護(hù)參數(shù)、電池內(nèi)阻參數(shù)、顯示方式等。

結(jié)語(yǔ)：

從PD協(xié)議的發(fā)展過(guò)程以及完整性考慮，最適合PD移動(dòng)電源設(shè)計(jì)的架構(gòu)是MCU+DC-DC架構(gòu)。在PD協(xié)議完全統(tǒng)一快充之前，支持固件升級(jí)、配合圖形化開(kāi)發(fā)工具，是開(kāi)發(fā)PD移動(dòng)電源的最佳選擇。