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使用 USB-C 充电控制器,无需固件即可迅速实现快速充电

关键词:USB-C 充电控制器 快速充电

时间:2022-03-21 11:21:58      来源:Digi-Key

更大的显示屏、更强的性能和更高的数据吞吐量是 5G 智能手机的发展趋势,它推动了对更大电池容量和快速充电能力的需求。如何突破传统的充电方式是设计者面临的挑战,因为传统充电方式效率低下,而消费者对快速充电的期望又越来越高,所以在满足这一需求的功率水平下就可能会导致发热过度。

作者:Stephen Evanczuk

更大的显示屏、更强的性能和更高的数据吞吐量是 5G 智能手机的发展趋势,它推动了对更大电池容量和快速充电能力的需求。如何突破传统的充电方式是设计者面临的挑战,因为传统充电方式效率低下,而消费者对快速充电的期望又越来越高,所以在满足这一需求的功率水平下就可能会导致发热过度。

在 USB Type-C® (USB-C) 电源传输 (PD) 3.0 中引入的可编程电源 (PPS) 功能有助于实现有效的解决方案,但所需的固件开发仍会拖延产品交付时间。

本文将介绍与 5G 手机快充相关的问题,以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何帮助设计人员高效地满足更大容量电池的更快充电的要求。然后,还将介绍并展示开发人员如何使用高度集成的 ON Semiconductor USB-C 控制器,这种控制器可在有限状态机 (FSM) 中实现 USB-C PD 3.0 PPS。这样就不需要开发固件,从而能够加快下一代充电器的快充功能。

更强大的智能手机为快充适配器带来新的挑战

据市场分析人士称,预计到 2023 年,5G 智能手机将占智能手机总出货量的 50% 以上。然而在使用这些手机获得 5G 服务的过程中,用户会发现,现有的手机充电器和充电站已无法满足这种新一代智能手机的快充需求。

正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G 手机中已经看到的那样,这些手机技术先进,拥有更大的屏幕以及更强的处理能力,数据吞吐量也远超早期智能手机。为了配合其更大的屏幕和相应更高的功耗,现有的 5G 手机已经用了更大型的电池。例如,三星 S20 Ultra 5G 的屏幕尺寸达到 6.9 英寸,采用了容量超上代机型 25% 的 5000 毫安小时 (mAh) 电池。

消费者在期待大容量电池具有更长电池续航时间的同时,也希望充电时间会变得更短,而不是延长 25%。对于希望满足汽车、家庭和办公室对充电站日益增长的需求的制造商来说,面对电池自身的瓶颈,如何缩短高容量电池的充电时间已成为一个重大难题。

锂离子 (Li-ion) 电池制造商对充电电流和电压规定了严格的阈值。一块额定容量为 1000 mAh 的传统锂离子电池,其额定充电速率一般为 0.7 C,即充电电流为 700 mA。对于一块完全耗尽的 5000mAh 电池,0.7 C 充电速率(或 3500 毫安充电电流)只充到 50% 就需约 45 分钟。

更先进的电池技术可以支持大于 1 C 的充电速率,但充电器和被充电设备都需要适应大幅提高的功率水平。例如,以较高的 1.5 C 速率充电的 5,000 mAh 电池,从 0% 充电到 50% 只需约 22 分钟,但 7.5 安培 (A) 的充电电流即使在高效率的充电系统中也会给元器件造成压力,并产生过大的热负载。事实上,随着 USB-C 作为电源和其他功能的行业标准接口已被广泛接受,兼容型充电器在 USB-C 电缆上所能提供的最大电流将会受限。USB-C 电缆的最大电流为 5 A,该电缆包含了为所连设备提供电缆信息的 emarker IC。(对于非 emarker 电缆,最大电流为 3 A)。

当然,移动设备制造商可以通过在电源输入和电池充电电路之间插入一个充电泵来克服这种限制。例如,为了支持 7.5 A 充电系统,旅行适配器可以在 4 A 条件下提供 10 V 电压,因此依靠典型的一分为二型充电泵在约 8 A 电流下可向充电电路输出 5 V 电压。这种方法可以使旅行适配器在保持兼容 USB-C 的电流水平的同时,提高 USB-C 电压 (VBUS)。

提高充电功率需要更有效的控制

能够支持大于 5 V 的 VBUS 使这种高电压、低电流方法得以使用。USB PD 2.0 规范定义了一系列固定的功率传输对象 (PDO),这些对象指定了固定的电压水平(5、9、15 和 20 V)和电流(3 或 5 A) 组合。

虽然 USB PD 2.0 固定 PDO 可以实现更高的充电功率,但将充电电压和电流设置固定,过高或过低都会导致充电效率低下,热负载无法接受并对元器件造成压力。实际上,当充电电路的输入电压(由 USB-C VBUS 提供)略高于其输出电压(电池电压)时,充电电路达到最佳工作效率。然而,由于电池电压在正常工作时会不断变化,因此如何保持最佳充电效率成为一个不小的挑战。当电池放电时,电池电压与 USB-C 充电电压 (VBUS) 的差值会变大,会降低充电效率。反之,当电池充满后,充电电路就需要降低充电电流来保护电池。

如果不能直接降低旅行适配器提供的充电水平,功率耗散会增加,从而效率降低,造成发热。因此,最佳充电水平会不断变化,往往是以增量的方式变化,这就要求对充电电压和电流进行相应的增量控制,以达到最高效率。

USB-C PD 3.0 PPS 如何提高效率?

USB-C PD 3.0 PPS 功能旨在满足在更高充电功率下对更高充电效率日益增长的需求,允许被充电设备(电流灌入设备)请求充电器(电流拉出设备)以增强式 PDO 中公布的 mV 和 mA 步长值增大或减小充电电压和电流。利用这种功能,灌入设备可以调整其拉出设备的电压和电流以优化充电效率。

PPS 的引入极大地改变了充电过程的工作方式。过去,充电器同时控制和执行充电算法。采用 PPS 后,充电算法的控制权转移到灌入设备,要求充电器按照灌入设备的指令执行算法。

通过 PPS,智能手机或其他灌入设备与充电器进行通信以优化功率输送,从而通过包括如下简短交互在内的协商协议来达成双方同意的 PD“合同”。

· 充电器发现连接电缆是否具有 5 A 能力
· 充电器广播其在多达 7 个 PDO 中描述的充电器电压和电流能力
· 灌入设备请求其中一个被广播的 PDO
· 充电器接受被请求的 PDO
· 充电器按照商定的电压和电流水平输送功率

诸如前面提到的三星 5G 手机之类的先进移动设备就是利用这种功能,使用兼容型充电器提供快充。对于设计快充旅行适配器和在其他产品中构建充电站的制造商来说,要实现此类充电协议,通常需要开发能够执行协议并操作相关电源设备的控制器固件。然而,对于像 USB-C PD PPS 这样的成熟标准,FSM 解决方案提供了一个有效的替代方案,可以消除可能导致最终产品交付延迟的固件开发需求。ON Semiconductor 的 FUSB3307 自适应充电器控制器采用了包括 PPS 在内的 USB-C PD 3.0 FSM 实施,从而加快了充电器开发,以满足下一代智能手机和其他大容量电池移动设备对快充的要求。

用于符合 USB-C PD 3.0 标准的快速充电器的集成控制器

ON Semiconductor 的 FUSB3307 是一款集成电源控制器,无需外部处理器即可实现 USB-C PD 3.0 PPS。除了电缆检测、负载栅极驱动器、多种保护功能以及恒压 (CV) 和恒流 (CC) 调节外,该器件还在硬件方面集成了完整的 PD 3.0 设备策略管理器、策略引擎、协议和 PHY 层。

FUSB3307 设计用于支持 AC/DC 和 DC/DC 充电器,可提供适合 PD 电源的全套响应。因此,设计人员可以用 FUSB3307 和相对较少的其它设备、元件实现一个兼容 USB-C PD 3.0 的电源。

当连接到灌入设备时,FUSB3307 会自动检测灌入设备和连接线的容量,并按照 USB-C 规格广播其容量。当灌入设备响应可选择支持 PDO 时,FUSB3307 将启用 VBUS 和控制电源电路,以确保将请求的充电电压和电流水平输送至灌入设备。

由于 FUSB3307 集成了全套控制功能,所以在 AC/DC 和 DC/DC 充电器设计中,其基本工作原理在概念上保持一致。为了响应来自灌入设备的指令,充电器中的 FUSB3307 使用其 CATH 输出引脚将反馈控制信号驱动至充电器功率级。在充电期间,FUSB3307 使用 VFB 引脚监测充电电压,使用 IS+/IS- 引脚监测流经检测电阻器的充电电流。这些监测到的电平又被反馈至与电压 (VFB) 和电流 (IFB) 引脚相连的内部电压和电流环路误差电路。这些信号反过来控制 CATH 引脚,进行 CV 和 CC 控制。FUSB3307 的 14 引脚小型集成电路 (SOIC) 封装中的其他引脚支持负载栅极驱动器、USB-C 连接器接口和保护功能。

FUSB3307 充电器控制器简化了充电器设计

当然,每种类型充电器的设计都会针对初级 CATH 输出、VFB 输入和其他引脚使用不同的配置。在 AC/DC 壁插式充电器或 AC/DC 适配器中,FUSB3307 将监测次级侧的电压和电流,并将控制反馈驱动到初级侧(图 1)。


图 1:在壁插式充电器或适配器的 AC/DC 设计中,FUSB3307 通过隔离光耦控制 PWM 控制器来响应来自灌入设备的不同充电电压指令。(图片来源:ON Semiconductor)

在这种充电设计中,FUSB3307 CATH 输出引脚通常会连接次级侧的光耦阴极,以向初级侧脉宽调制 (PWM) 控制器提供反馈控制信号(ON Semiconductor 的 NCP1568)。在次级侧,FUSB3307 的电压和电流的检测输入将监控来自同步整流器控制器的输出,如 ON Semiconductor 的 NCP4308。

例如,在汽车应用中使用的 DC/DC 充电器设计中,FUSB3307 直接控制 DC/DC 控制器。在这里,FUSB3307 CATH 反馈信号连接 DC/DC 控制器,如 ON Semiconductor 的 NCV81599 补偿 (COMP) 引脚(图 2)。


图 2:在车载充电器的 DC/DC 充电器设计中,FUSB3307 直接控制 DC/DC 控制器的电压输出,根据诸如 5G 手机或其他移动设备等灌入设备的指令提高或降低输出。(图片来源:ON Semiconductor)

ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 评估板中,针对 FUSB3307 实现了这种特殊的 DC/DC 充电器设计。该板采用从单一直流电源操作的设计,提供了一个完整的充电器,符合 USB PD 3.0 与 PPS 要求,在从标准的最低 3.3 V 到最高 21 V 的 VBUS 水平下提供最高 5 A 的电流。

使用该评估板,开发人员能够探索 FUSB3307 与符合 USB PD 3.0 标准的设备以及传统 USB PD 2.0 设备之间的互动。通过监控由评估板输送到支持 USB-C PD 功能的设备上的 VBUS 电压和电流,开发人员可以立即开始探索快充过程。类似设备如笔记本电脑或智能手机等。

对于 FUSB3307 与现成 USB PD 3.0 5G 手机交互的能力,以及手机使用 USB PD 3.0 PPS 协议来优化其充电电压和电流来说,这种方法提供了特别的内涵。在对这种能力的一次演示中[1],发现一台现成的三星 S20 Ultra 5G 手机向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 评估板发出一系列指令,以大步进值和小步进值修改充电电压和电流(图 3)。


图 3:ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 评估板展示了 FUSB3307 响应现成的 5G 手机指令以微调其充电电压和电流的能力。(图片来源:ON Semiconductor)

在本演示中,评估板和手机连接后,5G 手机选择基准 PDO(5.00 V,最大 5.00 A),如图中前 10 秒所示。在这个阶段,充电电压 (VBUS) 为 5 V,5G 手机的充电电流 (IBUS) 约 2 A。然后,5G 手机请求更高的 PDO,声明该充电器能够在 4 A 条件下提供 8 V 电压。FUSB3307 响应请求并立即更改:VBUS 按要求跳到 8 V,IBUS 表现为逐渐增大,因为 5G 手机提高了 IBUS 电流。

在 VBUS 急剧跳动之后,PPS 可能带来的充电功率增量就变得很明显了。5G 手机大约每 210 毫秒 (ms) 就会请求 VBUS 增加 40 毫伏(mV),从而逐渐将 VBUS 提升到更高的水平。当 IBUS 达到 4 A(图中虚线绿线)时,FUSB3307 使用标准 PPS 协议发出警报信息,通知 5G 手机已达到所请求电流极限。5G 手机继续发出请求,以 40 mV 的增量进一步提高 VBUS,最终达到 9.8 V。日常使用中,这种自适应充电器的充电能力可以实现快充所需的最大充电效率,而不会出现过热或其他影响灌入设备的情况。

利用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 评估板,开发人员可立即探索 USB-C PD 在现有设备中的应用,并扩展该板的相关参考设计,从而在符合 USB PD 3.0 规范的设备中实现快充定制。最重要的是,具体实施时不需要开发固件。通过 FUSB3307 器件,开发人员使用熟悉的电源技术来构建一种能够充分发挥下一代 5G 手机和其他兼容设备的快充优势的适配器。

结语

虽然 5G 手机给用户带来了丰富的新特性和功能体验,但支持这些设备所需的更大容量电池已成为设计者面临的挑战。需要特别指出的是,他们需要确保旅行适配器和充电站提供快速充电,但又不会使手机过热。

ON Semiconductor 的 FUSB3307 自适应充电控制器具有完全符合 USB PD 3.0 PPS 的功能——无需固件开发,即可提供直接的设计解决方案。通过将该控制器与常见的电源设备、组件相结合,开发人员就可快速实现一种适配器,以支持迅速扩大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手机和其他移动设备。

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