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高整合型USB PD解决方案席卷Type-C市场
精简、安全、容易开发

【作者: 籃貫銘】2019年04月29日 星期一

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图一 : 对于纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易于导入的解决方案与开发工具。
图一 : 对于纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易于导入的解决方案与开发工具。


「One for all」是USB PD(USB供电)的最大愿景,目标是让当前诸多的资料传输与供电介面能够合而为一,让装置的设计与周边设备的配置得以大简化。


只要透过一个USB插槽和一条传输线,就可以同时达成资料传输和供电的功能,对于使用的便利性,以及装置的相容性,都有极大的助益,这也是为什么USB-IF在近几年力推USB PD标准,希望能尽快迎来这个大一统的未来。


而不同于单纯的USB方案,在导入USB PD设计时需要考虑到更多的面向,最主要的一环,就是需顾及电源管理/控制的类比功能,因此对于纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易于导入的解决方案与开发工具。



图二 : Type-C的引脚排列得更加紧密,经过一定数量的插拔之后,就可能因为线路损坏产生短路的情况。
图二 : Type-C的引脚排列得更加紧密,经过一定数量的插拔之后,就可能因为线路损坏产生短路的情况。

另一方面,USB PD标准是定义在Type-C的架构下,意味着在供电的功能之外,还有更高速与更多元的资料传输性能,因此如何同时兼顾性能与安全性,也是开发者在进行设计时,必须考量的要点。


然而,在进行USB PD功能的导入前,首先则是要确认所应对的产品应用,也就是哪一类型的产品,是单纯的电源极?还是支援双向的装置(供电兼传输)?又或者只是接电的装置?这些应用所需要的供电电压与适用的电流皆不同,因此在适用元件的采用上,也就有所差异。


更重要的是,这些不同的应用也会牵涉到是否需要进行主从端的沟通,进而衍生不同的控制功能与判断逻辑,因此也会影响方案上的选用,以及后续的认证取得。


由于USB PD使用USB 3.1标准,也就是USB Type-C介面,因此在一个基本的设计里,一定需要一个Type-C的控制单元,用以沟通两个装置,如果需要有其他的传输和控制功能,则可依据应用的不同再添加其他的微控制器(MCU)来达成。


意法半导体全系列PD方案 降低工程师开发难度

意法半导体(ST)资深技术市场工程师吴逸杰就指出,有别于传统的USB供电只有10瓦(W)以下,电流约1安培(A)到2安培(A)的供电,目前的USB PD则是能处理到100瓦(W)的供电,因此所能支援的产品应用总类大幅的增加,但同时也提高了对元件保护的需求。



图三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了独家的演算法,可免除工程师额外程序开发的负担。
图三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了独家的演算法,可免除工程师额外程序开发的负担。

他指出,USB PD使用Type-C规格,其引脚接线的数量提升到了24个,排列得更加紧密,因此在经过一定数量的插拔之后,就可能因为线路损坏而造成不正常连接,进而产生短路的情况。因此,USB PD控制器的保护能力就十分重要,才能确保装置的稳定性与安全性。


吴逸杰表示,USB PD是一个更严谨的标准,其对于电力供应的上升和下降时序都有要求,因此仅使用离散元件来做设计并不好控制,最佳的解决方案还是采用专门的控制晶片。


以意法半导体为例,该公司旗下的USB Type-C PD解决方案提供了一系列的产品组合,能分别针对源极(source)、双向(dual role)和汲极(sink)等不同的应用场景给与最适合的元件搭配,如单纯Type-C PD供电,或者需进一步的资料传输功能,皆有对应的MCU与PD控制晶片。


吴逸杰进一步指出,就目前的市场趋势来看,以汲极(sink)端所潜在的商机最大。而针对此应用的需求,ST旗下的STUSB4500 USB-PD控制器就能满足这类装置的开发需求。该晶片不仅通过USB协会的认证,更允许使用者自订配置。


吴逸杰解释,STUSB4500控制器在内部记忆体的预设的电源设定档(Default Power Profiles,PDO),存放了意法半导独家的演算法,以及供电设备协商的供电协定,可自动执行多项控制功能,免除了工程师额外程序开发的负担,不仅简化了整体装置系统的开发流程,同时也加速了产品上市的时间。


此外,STUSB4500也支援多个电源选项,并管理多个输入电源,只要导入该控制器,就可以让传统使用专用充电器的装置,立即变成标准的Type-C供电的设备,大幅提升使用的便利性。


吴逸杰也十分看好Type-C介面电源供应器(adapter)市场的发展。他表示,依据实际客户的导入情况来看,目前已有越来越多的装置开始使用Type-C供电介面,他预计3年内,采专用电源供应器装置的市场就会大幅减少,未来将会是USB PD为主的市场。


不过他也指出,目前USB PD装置多是45W以下为主,60W至100W的USB PD设备并不常见,大概只有萤幕和投影机才会使用到如此高的瓦数。由于USB-IF的规范中有特别提到,只要装置的电源供应超过60W和3A,就必须使用固定式的电源线,或者采用经过认证的线材,因此在电源线上的成本就会大幅增加。


而对于有快充(Quick Charge)需求的装置应用,STUSB4500也同样支援,其内建的电源选项已包含快充功能,或者给予5V以上的电池组充电。


Microchip整合多项类比元件 精简电路配置

同样也看好USB Type-C与PD在传输与供电应用上的便利性,Microchip也持续布局USB PD方案市场,其近期推出的PD控制器产品UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。



图四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。
图四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。

为了降低工程师的开发难度,UPD350在晶片内整合了多项类比元件,包括两个Rp / Rd开关的VCONN FET,一个电源开关,以及用于电流和电压检测的电路。而透过这些整合的元件,UPD350系列能支援非常广泛的产品应用,包含笔记型电脑、平板电脑与桌机等。


Microchip指出,透过新的PD技术,现在仅需使用一条USB资料线,就能在传输资料的同时,供应高达100W的电力,其供电量比USB 2.0增加了40倍。同时,充电速度较USB 2.0规格快十倍之多。有了100W的可用电力,设计人员可以针对快速电池充电和系统供电,进行电力的动态分配。


目前除了现有的USB PD控制晶片外,Microchip也推出采USB Type-C HUB连接器的USB7202 Gen2 10Gps HUB系列产品,提供给USB Type-C介面的HUB应用。该平台能支援四个下端的电池充电端口(最多10A电流)。


德州仪器高功率PD整合控制器 针对大功率应用

针对USB PD的相关应用,德州仪器(TI)也提供了一系列的解决方案,并且分门别类具体的应对不同的装置的使用场景,来给予专用的产品组合。


近期,TI推出了新一代电源路径达到100W和200W的USB Type-C与USB Power Delivery控制器:TPS65987D和TPS65988,能在双埠与單埠应用里,带来更大的功率。


TI指出,高整合型的产品可简化设计,缩减解决方案尺寸,并加速产品上市时间,同时也可以可降低设计的复杂性,进而减少整体成本。


TPS65987D的單埠设计能够提供100 W的功率,晶片内也整合了独立的20V、5A源极(source)和汲极(sink)的电流负载开关。此外,TPS65987D具有低RDS(on)(25mΩ)和反向电流保护,能够在短路情况发生时,保护控制晶片和整体系统的安全。


至于TPS65988则是双埠的方案,并可提供200 W的功率,和内建两个整合的5A双向负载开关与外部电源路径控制,能够同时给予双埠5A的供电能力。尤其使用场效应电晶体(FET)制成路径,能够支援笔记型电脑、扩充底座 (docking stations),或者其他高功率的连网周边设备等,能在保持低RDS(on)的情况下,以最低功耗实现高效充电。



图五 : TPS65988是双埠的方案,可提供200 W的功率,能够同时给予双埠5A的供电能力。
图五 : TPS65988是双埠的方案,可提供200 W的功率,能够同时给予双埠5A的供电能力。

TI强调,使用更少的零组件,能使设计更简单,相较于一般需要18个外部电源元件的离散实作(discrete implementation)相比,整合型USB PD控制器可帮助设计人员降低设计复杂性。此外,新型控制器也可提供更好的反向电流保护,进一步节省PCB空间并保护系统。


看好快充应用 大联大提供Type-C整合方案

除了提供USB PD供电方案,大联大友尚集团也观察到客户对于快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案,该方案是以AP39303、APR34709、AP43771为基础的18W PD3.0充电器解决方案,能符合多个快充标准,包含PPS、QC4,以及QC4+。


Diodes的AP39303是一款电源管理晶片,APR34709为同步整流晶片,AP43771则是支援PD3.0协议的快充管理晶片。



图六 : 大联大观察到客户对于快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案。
图六 : 大联大观察到客户对于快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案。

大联大指出,AP39303采用SOP16封装,且内建700V高压开关MOSFET和高压100VLDO,有助于缩小PCB尺寸并简化布局。而为了保护系统安全,也内建了OCP、OVP及OTP的保护功能。


AP43771则采DFN3x3-14封装,能同时满足N-MOSFET和P-MOSFET两种VBUS的控制输?。此外,该晶片使用PD3.0协议,并通过USB-IF的认证,符合QC4.0、QC4.0+和PPS规范。


结语

整体而言,随着Type-C介面的普及,USB PD的应用也会随之更加广泛,同时终端产品也会更加多元,并逐渐朝着USB-IF的蓝图发展,也就是成为统一的电源介面,至少在消费性电子领域会是如此。


而在此一趋势的带动下,易于导入、易于开发的整合式解决方案就会成为系统业者的首选,原因无他,就是为了加速产品上市的时程,同时也能降低整体的开发成本,对于主流的成熟应用来说,是最佳的解决方案。


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