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將USB PD特性帶入行動電源設計
 

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

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標準很好,但有時需要更多。例如USB Type-C;USB Type-C旨在建立一個用於高速資料傳輸及電力傳輸的標準介面,僅需一條電纜,即能取代需要多條電纜的需求。這很有意義,部分原因在於電子設備製造商不願為所出貨的每一台設備提供電纜,另外也因為消費者正處理大量被閒置在抽屜、櫥櫃和桌上型電腦的 「備用」電纜。


但是,對一個規格進行標準化並不代表所有設備的建立皆相同。支援USB 3.x 供電的協議使供應商能使用所謂的廠商自定義訊息模式(Vendor Defined Message;VDM)透過配置通道(Configuration Channel;CC)與設備通訊。使用VDM,供應商能交換不止USB 3.0供電規範所定義的資訊,亦可以用於各種事情,這代表製造商能直接與自己的設備通訊。此設備作為其他設備的基準,為客戶帶來附加價值,如使用專門為手機設計的壁插式轉換器客戶。


使用VDM於USB控制器中,將進一步增加USB Type-C連接的吸引力,實現例如更快速充電或將設備調整至備用或輔助模式等功能,以便重複使用某些連接來接受非USB協議。


這些特性將為USB建立新應用,特別是在供電方面。持續驅動超低功耗處理代表能用更少的功率完成更多工作,且因USB連接的總功率現可達100 W (圖1),開啟各種可能性。但若要實現此潛能,需要一個能夠實現預算的USB控制器。



圖1 : USB Type-C電源配置選項
圖1 : USB Type-C電源配置選項

快速充電

當供電規格與現有的電池充電規格一起作用,使用VDM會帶來額外好處。最值得一提的是,它支援高通的快速充電功能,基於選擇的Snapdragon處理器,進而提供更高的功率,為智慧手機提供更快的充電週期。其他製造商亦能獲准使用此項技術。目前正使用的幾種充電協定包含Motorola的TurboPower充電技術、聯發科的Pump Express與三星的自我調整快速充電技術。


當不使用相容的電源轉換器(power adapter)時,智慧手機將預設較低的功率設置,但當它與製造商自己的或相容的充電器一起使用時,使用者將能更快充電。雖然不同製造商的規格不同,但USB 3.1 PD規格在5V到12V之間能提供高達27W的功率。


為幫助消費者選擇合適的方案,USB開發者論壇(USB IF)已將USB充電器規格和Logo程式擴展至包含USB快速充電器。本程式認證的充電器支援USB PD 3.0規格的可編程電源供應(Programmable Power Supply;PPS)特性。


PD部分的吸引力在於支援透過USB供電的設備與電源進行配合,只提供所需電量。包含比預期設置需要更低功率的設備,且代表電源能為更多的設備提供電力,在設備之間共用電源並不止為設備提供電力。例如,顯示器能為筆記型電腦及外部硬碟提供電源與通訊通道,進而支援筆記型電腦透過顯示器進入硬碟。


行動電源

USB介面提供的電池充電功能無所不在,多年來一直被行動電源製造商所運用。雖然行動電源提供一種方便的方式,在遠離插座的情況下擷取額外的電力,但從電池充電到電力傳輸的轉變將需要新一代的行動電源。支援PD提供可變功率造成一定程度的複雜性,與使用簡單的通用電源管理IC或調節器的現有行動電源設計不相容。


為支援PD的所有功能,包含使用VDM的快速充電,行動電源製造商將需要轉向設計一個智慧控制器來提供透過USB PD所能提供的功能。例如安森美半導體的LC709501F。此高度整合基於Flash的可配置設備彙整所需的所有功能,透過多個USB介面管理鋰離子電池提供的電源。圖2所示為一個典型的應用範例。



圖2 : 運用LC709501F的典型行動電源應用
圖2 : 運用LC709501F的典型行動電源應用

透過安森美半導體開發的韌體(firmware),配置亦能擴展到運用VDM模式,因此製造商能增加附加價值,如實行快速充電技術。


它直接驅動外部的MOSFET以提供可擴充的電源,而它的開關控制器產生所需的電壓,從5V到12V。透過選擇合適的外部MOSFET,能支援所有的PD特性,包含快速充電3.0高壓專用充電埠(High Voltage Dedicated Charging Port;HVDCP)A型。Buck∕Boost拓撲使行動電源具有USB Type-C 雙角色埠(DRP)和USB BC1.2,並且還包括電池狀態特性,能運用四個LED來表示電池電量。運用USB 3.x的特性,智慧手機應用程式能提供更多關於行動電源的資訊,如充電狀態、充電週期及充放電時間等。


安森美半導體提供評估板幫助製造商設計導入LC709501F與選擇最合適的韌體。例如,FW02支援一個Micro-B輸入,在兩個通道上支援Type-A輸出,快速充電3.0 HVDCP,Boost自動啟動外部升壓 IC用於進一步的功率輸出,而FW05支援帶有DRP及Type-A輸出的Type-C,就像運用Boost自動啟動外部升壓的IC一樣。更多的韌體正在開發,以支援其他配置。圖3是FW05提供的功能圖示。



圖3 : LC709501F FW05提供的特性圖示
圖3 : LC709501F FW05提供的特性圖示

透過直接支援四個LED顯示電池電量,製造商無需增加一個額外的微控制器,節省物料清單(BoM)成本及降低設計複雜性。評估板(元件型號LC709501EVA05GEV)使用FW05並支援四種模式,如圖4所示。



圖4 : FW05的4種模式
圖4 : FW05的4種模式

新控制器

USB Type-C與PD的引進將為消費者及製造商帶來巨大好處,但由於對工程團隊的要求,及需要學習如何使用新功能,開發人員將需要一段時間來調整。


開發一個完全支援PD的行動電源,包含多個輸出及快速充電,將需要新的控制器,以USB 3.x為核心開發。LC709501F是一系列設備的一部分,使USB PD變得更簡單、更易於開發人員取得,而且提供難以超越的整合度。它的靜態電流超低,僅15 μA,加上不需要額外的微控制器,證明它能提供所有功能,同時消耗最少的電池電量。


透過廠商自定義訊息模式,配置控制器的能力是相對於功能較少的控制器的另一個優勢,使製造商能夠呈現產品差異性,同時仍完全符合USB IF規格。


(本文作者Satoshi Terada為安森美半導體資深行銷經理、Hideo Kondo為安森美半導體產品行銷經理)


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