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将USB PD特性带入行动电源设计
 

【作者: Satoshi Terada、Hideo Kondo】2018年11月21日 星期三

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标准很好,但有时需要更多。例如USB Type-C;USB Type-C旨在建立一个用於高速资料传输及电力传输的标准介面,仅需一条电缆,即能取代需要多条电缆的需求。这很有意义,部分原因在於电子设备制造商不愿为所出货的每一台设备提供电缆,另外也因为消费者正处理大量被闲置在抽屉、橱柜和桌上型电脑的 「备用」电缆。


但是,对一个规格进行标准化并不代表所有设备的建立皆相同。支援USB 3.x 供电的协议使供应商能使用所谓的厂商自定义讯息模式(Vendor Defined Message;VDM)透过配置通道(Configuration Channel;CC)与设备通讯。使用VDM,供应商能交换不止USB 3.0供电规范所定义的资讯,亦可以用於各种事情,这代表制造商能直接与自己的设备通讯。此设备作为其他设备的基准,为客户带来附加价值,如使用专门为手机设计的壁??式转换器客户。


使用VDM於USB控制器中,将进一步增加USB Type-C连接的吸引力,实现例如更快速充电或将设备调整至备用或辅助模式等功能,以便重复使用某些连接来接受非USB协议。


这些特性将为USB建立新应用,特别是在供电方面。持续驱动超低功耗处理代表能用更少的功率完成更多工作,且因USB连接的总功率现可达100 W (图1),开启各种可能性。但若要实现此潜能,需要一个能够实现预算的USB控制器。



图1 : USB Type-C电源配置选项
图1 : USB Type-C电源配置选项

快速充电

当供电规格与现有的电池充电规格一起作用,使用VDM会带来额外好处。最值得一提的是,它支援高通的快速充电功能,基於选择的Snapdragon处理器,进而提供更高的功率,为智慧手机提供更快的充电周期。其他制造商亦能获准使用此项技术。目前正使用的几种充电协定包含Motorola的TurboPower充电技术、联发科的Pump Express与三星的自我调整快速充电技术。


当不使用相容的电源转换器(power adapter)时,智慧手机将预设较低的功率设置,但当它与制造商自己的或相容的充电器一起使用时,使用者将能更快充电。虽然不同制造商的规格不同,但USB 3.1 PD规格在5V到12V之间能提供高达27W的功率。


为帮助消费者选择合适的方案,USB开发者论坛(USB IF)已将USB充电器规格和Logo程式扩展至包含USB快速充电器。本程式认证的充电器支援USB PD 3.0规格的可编程电源供应(Programmable Power Supply;PPS)特性。


PD部分的吸引力在於支援透过USB供电的设备与电源进行配合,只提供所需电量。包含比预期设置需要更低功率的设备,且代表电源能为更多的设备提供电力,在设备之间共用电源并不止为设备提供电力。例如,显示器能为笔记型电脑及外部硬碟提供电源与通讯通道,进而支援笔记型电脑透过显示器进入硬碟。


行动电源

USB介面提供的电池充电功能无所不在,多年来一直被行动电源制造商所运用。虽然行动电源提供一种方便的方式,在远离??座的情况下撷取额外的电力,但从电池充电到电力传输的转变将需要新一代的行动电源。支援PD提供可变功率造成一定程度的复杂性,与使用简单的通用电源管理IC或调节器的现有行动电源设计不相容。


为支援PD的所有功能,包含使用VDM的快速充电,行动电源制造商将需要转向设计一个智慧控制器来提供透过USB PD所能提供的功能。例如安森美半导体的LC709501F。此高度整合基於Flash的可配置设备汇整所需的所有功能,透过多个USB介面管理锂离子电池提供的电源。图2所示为一个典型的应用范例。



图2 : 运用LC709501F的典型行动电源应用
图2 : 运用LC709501F的典型行动电源应用

透过安森美半导体开发的韧体(firmware),配置亦能扩展到运用VDM模式,因此制造商能增加附加价值,如实行快速充电技术。


它直接驱动外部的MOSFET以提供可扩充的电源,而它的开关控制器产生所需的电压,从5V到12V。透过选择合适的外部MOSFET,能支援所有的PD特性,包含快速充电3.0高压专用充电埠(High Voltage Dedicated Charging Port;HVDCP)A型。Buck/Boost拓扑使行动电源具有USB Type-C 双角色埠(DRP)和USB BC1.2,并且还包括电池状态特性,能运用四个LED来表示电池电量。运用USB 3.x的特性,智慧手机应用程式能提供更多关於行动电源的资讯,如充电状态、充电周期及充放电时间等。


安森美半导体提供评估板帮助制造商设计导入LC709501F与选择最合适的韧体。例如,FW02支援一个Micro-B输入,在两个通道上支援Type-A输出,快速充电3.0 HVDCP,Boost自动启动外部升压 IC用於进一步的功率输出,而FW05支援带有DRP及Type-A输出的Type-C,就像运用Boost自动启动外部升压的IC一样。更多的韧体正在开发,以支援其他配置。图3是FW05提供的功能图示。



图3 : LC709501F FW05提供的特性图示
图3 : LC709501F FW05提供的特性图示

透过直接支援四个LED显示电池电量,制造商无需增加一个额外的微控制器,节省物料清单(BoM)成本及降低设计复杂性。评估板(元件型号LC709501EVA05GEV)使用FW05并支援四种模式,如图4所示。



图4 : FW05的4种模式
图4 : FW05的4种模式

新控制器

USB Type-C与PD的引进将为消费者及制造商带来巨大好处,但由於对工程团队的要求,及需要学习如何使用新功能,开发人员将需要一段时间来调整。


开发一个完全支援PD的行动电源,包含多个输出及快速充电,将需要新的控制器,以USB 3.x为核心开发。LC709501F是一系列设备的一部分,使USB PD变得更简单、更易於开发人员取得,而且提供难以超越的整合度。它的静态电流超低,仅15 μA,加上不需要额外的微控制器,证明它能提供所有功能,同时消耗最少的电池电量。


透过厂商自定义讯息模式,配置控制器的能力是相对於功能较少的控制器的另一个优势,使制造商能够呈现产品差异性,同时仍完全符合USB IF规格。


(本文作者Satoshi Terada为安森美半导体资深行销经理、Hideo Kondo为安森美半导体产品行销经理)


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