USB PD解決方案為用于移動(dòng)設(shè)備快速充電的電源適配器解決挑戰(zhàn)

智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的快速充電方式是當(dāng)前增長(zhǎng)最快的電源應(yīng)用之一。新興的USB PD技術(shù)為移動(dòng)設(shè)備快速充電提供了卓越的性能，同時(shí)，它也給電源適配器帶來(lái)了設(shè)計(jì)和BOM成本上的挑戰(zhàn)。

為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案可以幫助解決這些挑戰(zhàn)。它們專門針對(duì)移動(dòng)設(shè)備USB PD等便攜式電源適配器進(jìn)行了優(yōu)化，能提供可靠、低成本的系統(tǒng)方案，并簡(jiǎn)化適配器設(shè)計(jì)。

在本文中，我們將討論用于移動(dòng)設(shè)備快速充電的電源適配器所面臨的主要挑戰(zhàn)，以及為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案如何解決這些挑戰(zhàn)。

圖1顯示了移動(dòng)設(shè)備的AC/DC電源適配器的升級(jí)過(guò)程。

圖1. 移動(dòng)設(shè)備的AC/DC電源適配器之大趨勢(shì)

什么是快速充電大多數(shù)手機(jī)和平板電腦都通過(guò)USB線充電。但是，USB指定電源電壓為5V，USB連接器有最大電流的物理上限。功率等于電壓乘以電流，更高的電壓可以帶來(lái)更多的充電功率而無(wú)需增加電流，因此快速充電的基本概念是動(dòng)態(tài)地配置電壓。

系統(tǒng)從5V（USB電壓）開(kāi)始，移動(dòng)設(shè)備與充電器協(xié)商更高的電壓，然后移動(dòng)設(shè)備從5V切換到9V、12V、20V或其他電壓值。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)移動(dòng)設(shè)備的快速充電對(duì)電源適配器帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，其中成本、安全性和各種快速充電協(xié)議是最大的挑戰(zhàn)。

目前市場(chǎng)上有眾多不同的快速充電協(xié)議，包括高通Quick Charge? 2.0/3.0（QC2.0/3.0）、聯(lián)發(fā)科技PumpExpress? Plus（PE+ 1.0/2.0）、三星自適應(yīng)快速充電（AFC）、華為快速充電協(xié)議（FCP）、針對(duì)直充的華為超級(jí)充電協(xié)議（SCP）、其他OEM廠商專有協(xié)議、USB Power Delivery（USB PD 2.0, 3.0）、USB-IF可編程電源（PPS）、高通Quick Charge? 4+（QC4+）等等。

其他挑戰(zhàn)還包括：功率密度、恒壓恒流（CVCC）規(guī)范、效率、空載待機(jī)功耗、動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)、音頻噪聲、用戶體驗(yàn)和EMI / EMC共模噪聲等。

因此，理想的快速充電系統(tǒng)是能夠協(xié)商任何電流和任何電壓，不管協(xié)議如何，并克服電源適配器系統(tǒng)的各種挑戰(zhàn)。

USB PD和USB Type-C?USB Type-C?是一種新型連接器技術(shù)，可提供極大的擴(kuò)展能力。它提供22引腳，而Type-A/Type-B連接器僅提供4引腳。它可以替代電源插座（100W），提供用于USB PD的額外引腳和更高的額定電流3A-5A，而Type-B的額定電流僅為2A。

USB Type-C?技術(shù)具有普遍通用性，且雙向可用，線纜兩端都是USB Type-C?連接頭，并且連接頭的插入沒(méi)有上下之分。它適用于所有移動(dòng)、計(jì)算和電視應(yīng)用，并得到所有主要消費(fèi)類OEM廠商的支持。而且，它比Type-A小得多，可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的設(shè)計(jì)。

USB PD 2.0 標(biāo)準(zhǔn)功能USB PD是通過(guò)USB Type-C?連接器上的配置通道引腳（CC1 / CC2）運(yùn)行的通信協(xié)議。USD PD 2.0通過(guò)USB PD供電數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）提供標(biāo)準(zhǔn)功能。標(biāo)準(zhǔn)PDO結(jié)構(gòu)允許多達(dá)7個(gè)分立電壓電平（與每步電流限制相關(guān)）。有多種產(chǎn)品選項(xiàng)，可以涵蓋具有不同系統(tǒng)功能的PDO。

USB PD 擴(kuò)展功能USB PD 3.0向后兼容USB PD 2.0，并增加了直接充電功能。它為可編程電源（PPS）模式提供了一種新型增強(qiáng)供電數(shù)據(jù)對(duì)象（APDO）。移動(dòng)設(shè)備可以高精度地在規(guī)定范圍內(nèi)請(qǐng)求和控制電源適配器的輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)可編程電流折返。它提供了一種新的支持直充和其他充電算法的機(jī)制。PPS需要20mV /step電壓分辨率，最小電壓可降至3.3V。采用PPS設(shè)計(jì)的便攜式電源適配器可以直接為移動(dòng)設(shè)備內(nèi)的電池充電，包括智能手機(jī)。這有助于解決移動(dòng)設(shè)備端電源管理的散熱和成本方面的挑戰(zhàn)。

圖2. PPS需要20mV /step電壓分辨率

USB PD通過(guò)單根線纜提供更靈活的電力和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多個(gè)外設(shè)優(yōu)化電源管理，并提供智能、靈活的系統(tǒng)級(jí)電源管理。

不過(guò)，移動(dòng)設(shè)備的AC/DC快速充電存在一些限制。傳統(tǒng)的USB PD解決方案未對(duì)AC/DC電源進(jìn)行優(yōu)化；有些功能超出需求（例如音頻模式，雙向功率流）。它們通常是基于DSP或MCU的，其內(nèi)在控制器IC成本較高。它們需要許多外部元件和較高的系統(tǒng)BOM成本。它們還要求電源硬件工程師編寫(xiě)軟件或固件。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程通常很復(fù)雜，而且產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期也很長(zhǎng)。

首款為AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案Dialog推出首款針對(duì)AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案，該方案由iW1781（針對(duì)USB PD優(yōu)化的一次側(cè)控制器），iW676（針對(duì)直充和USB PD優(yōu)化的同步整流控制器）和iW656（USB PD2.0接口IC）組成。

圖3. 針對(duì)AC/DC優(yōu)化的Dialog USB PD解決方案

為了推動(dòng)向USB PD 3.0 / PPS的演進(jìn)，Dialog進(jìn)一步推出了iW656P和iW657P二次側(cè)接口IC。這兩款I(lǐng)C均支持USB PD 3.0和PPS協(xié)議。

iW656P與iW656引腳兼容，具有14個(gè)引腳的iW657P提供電流檢測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)額外的保護(hù)。與一次側(cè)控制器iW1791結(jié)合，該芯片組構(gòu)成了優(yōu)化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解決方案。

圖4. 由iW656P和iW657P二次側(cè)接口IC和一次側(cè)控制器iW1791組成的USB PD 3.0 / PPS

Dialog的關(guān)鍵AC/DC電源轉(zhuǎn)換技術(shù)

具有數(shù)字峰值電流模式控制的反激拓?fù)洹?/p>

緊湊的多級(jí)恒壓和恒流調(diào)節(jié)，具有強(qiáng)大的保護(hù)功能。- 獲得專利的自適應(yīng)多種模式PWM / PFM操作，可以平衡效率曲線，且不會(huì)產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的噪音。- 獲得專利的恒定頻率谷值模式切換（VMS），實(shí)現(xiàn)最高效率（如圖5所示）。- 次級(jí)側(cè)無(wú)電流檢測(cè)電阻。

專用于快速充電，具有專利的二次側(cè)到一次側(cè)數(shù)字通信。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與同步整流器（SR）配合使用，效率最高，空載待機(jī)功耗低于20mW。- @ 典型18W 5V3A 9V2A，滿載效率90％，平均> 88％，10％負(fù)載> 82％，符合CoC Ver5 Tier2和DOE 6級(jí)（可能因不同電源板設(shè)計(jì)的不同多級(jí)CVCC配置文件而有所差異）。

圖5. 測(cè)試波形展示了在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)具有多種模式PWM / PFM操作的恒定頻率VMS

為便攜式電源適配器簡(jiǎn)化和優(yōu)化的新型USB PD控制器

Dialog的iW656是第一款為便攜式電源適配器優(yōu)化的USB PD芯片。它消除了不適用于電源的功能，集成了NMOS VBUS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，可降低系統(tǒng)成本。iW656覆蓋3-20V的寬電壓范圍，通過(guò)了USB-IF認(rèn)證，經(jīng)過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)較低的控制器IC成本。通過(guò)提供具有不同PDO組合的多種產(chǎn)品選項(xiàng)，可靈活地支持豐富的系統(tǒng)級(jí)功能。

iW656P / iW657P提供iW656的全部功能，并支持USB PD 3.0、高通QuickCharge? 4+、USB PPS和直接充電。它提供低至10mV /step的VBUS分辨率、板載VBUS / TJ / VSD測(cè)量、和增強(qiáng)的USB Type-C?控制，包括對(duì)智能線纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測(cè)功能，可通過(guò)板載ADC測(cè)量次級(jí)電流，并與移動(dòng)設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)更智能的控制和保護(hù)。

圖6顯示了使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器的USB PD / PPS電源適配器設(shè)計(jì)示例。

圖6. 使用iW657P + iW1791 + iW676的USB PD/PPS電源適配器設(shè)計(jì)示例

這是單一PCB板實(shí)現(xiàn)完整的USB PD電源適配器設(shè)計(jì)，無(wú)需子板，而傳統(tǒng)的解決方案中通常需要用子板來(lái)托管基于MCU的USB PD控制器。該方案將外部元件數(shù)量降到了最低，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的電源設(shè)計(jì)，并且無(wú)需編寫(xiě)軟件或固件。其額定功率為27W。

如圖7所示，該設(shè)計(jì)采用5個(gè)PDO：5V3A、6V3A、7V3A、9V3A、12V2.25A。如圖8所示，一進(jìn)入PPS模式后，該電源適配器生成的輸出電壓具有非常精細(xì)的分辨率（小于20mV /step）。

圖7. 采用PDO的輸出VI特征

圖8. 采用PPS的輸出VI特征

強(qiáng)大的保護(hù)功能Dialog的解決方案提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、輸出短路保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、VBUS開(kāi)關(guān)輸出短路保護(hù)（OSP）、主動(dòng)放電、檢測(cè)，以及與移動(dòng)設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制和保護(hù)。

此外，它還提供雙層線纜保護(hù)：D+ / D- / CC1 / CC2過(guò)壓保護(hù)（iW656 / 656P / 657P）和SmartDefender?先進(jìn)打嗝技術(shù)（iW1781 / 1791）。