【導讀】當2016年推出100 W(USB3.0)充電時(shí)，消費者搖了搖頭。“誰(shuí)會(huì )需要那么大的功率，而大多數智能手機都可以用10 W充電？
好吧，如果在2020年最近發(fā)布的5G手機浪潮預示著(zhù)未來(lái)的跡象，45 W智能手機充電器將會(huì )是司空見(jiàn)慣。
而隨著(zhù)充電功率的提升，效率的重要性也在增加。USB-C (又稱(chēng)USB Type C) 最新的PD 3.0規范，尤其是可編程電源(PPS)，是目前市場(chǎng)上效率最高的充電方案，也正因如此，將成為未來(lái)智能手機、平板電腦和筆記本電腦充電的首選。
PD 3.0 (PPS) 比PD 2.0優(yōu)勝之處
PD 2.0允許最多7個(gè)功率數據對象(PDOs)，用于揭示源端口的電源能力或匯源的功率需求，通過(guò)USB-C、CC引腳在PD信息中傳輸。
相比之下，PD 3.0，PPS提供了圖1所示的“電壓和電流范圍”PDO。
PPS的優(yōu)勢在于，與固定PDO相比，可以“更細粒度”地請求電壓/電流。這有助于優(yōu)化電源和功率耗散器之間的充電效率。
圖1
5G 智能手機電池尺寸
最近發(fā)布的一款5G智能手機配備了6.9英寸的屏幕和5000 mAh鋰離子電池容量，比之前的型號容量增加了25%。我猜測屏幕尺寸和5G都對增加電池尺寸起作用。
但無(wú)論如何，電池體積增加25%，意味著(zhù)需要AC-DC旅行適配器(TA)提供更多的電量，才能繼續宣稱(chēng) "快速充電"。而USB-C PPS是達標的合理選擇。
快充
“快速充電”這個(gè)詞經(jīng)常被提到。傳統上，鋰離子充電可以在0.7 充電速率(C-rate)下安全完成。C-rate是簡(jiǎn)單的充電電流除以電池容量。例如，0.7 C速率的充電電流對1000 mAh的電池來(lái)說(shuō)是700 mA。
但是，通常將一塊空電池從0%充電到50%的充電狀態(tài)(SoC)需要約45分鐘(圖2)的充電時(shí)間(TTC)。這并不是那么快。
而且，您不能簡(jiǎn)單地通過(guò)“提高電流”來(lái)改善TTC。以1-C速率給電池充電，而其數據表上寫(xiě)的是0.7 C速率，這將導致電池過(guò)早老化，或可能導致永久性損壞。
請記住，根據其數據表，鋰離子電池必須在至少500次充電循環(huán)周期后保留至少80%的原始容量。
更快的充電時(shí)間(TTC)意味著(zhù)更多的電量
為了改善TTC，電池制造商正在設計大于1 C速率的充電電池，或更快的充電。
這主要需要降低電池的內部阻抗，以延長(cháng)充電曲線(xiàn)在電池電壓達到最大電壓和充電曲線(xiàn)轉換到恒定電壓(CV)模式之前保持在恒定電流(CC)模式的時(shí)間(假設您從空電池開(kāi)始充電)。
如圖2所示，通過(guò)以1 C速率與0.7 C速率充電，可以將0-50%的SoC TTC縮短15分鐘，如果采用1.5 C速率，則更快，可縮短至22分鐘。
不過(guò)，5000 mAh電池的1.5 C速率需要進(jìn)行7.5 A充電和32.6 W（4.35 V×7.5 A）峰值充電功率。這在一個(gè)小空間里是很多的電量。
圖2
我并不了解最近發(fā)布的5G智能手機內部的實(shí)際充電情況，但它確實(shí)在發(fā)貨時(shí)配備了一個(gè)25 W PPS充電器，并宣傳該手機接受45 W PPS充電器配件（圖3）。
如果我從45 W的旅行適配器開(kāi)始，并假設從墻壁到電池的能效為80%左右（大概），那我就有~36 W的電量進(jìn)入電池。~36W與計算出的32.6 W所需的~22分鐘、0%至50% SoC的充電時(shí)間相差不大，如上圖2所示。
值得一提的是，由于USB-C連接器的最大電流是5 A，為了達到7.5 A的IBAT，在5G手機內部的USB Type-C連接器和電池充電器之間需要一個(gè)“除以2”的充電泵。
例如，TA可能輸出10 V/4 A，而電荷泵將輸出5 V/8 A（假設理想的功率損耗）。這有時(shí)被稱(chēng)為HVLC（高電壓、低電流）。
正如物理學(xué)告訴我們的那樣，功率耗散是I2R ，所以從TA到手機（約1米長(cháng)的電纜）以HVLC，比LVHC（低電壓高電流）的方式輸送功率是有好處的。
而隨著(zhù)Type C連接器的到來(lái)，USB-C PD 2.0將VBUS最大電壓從5 V提高到20 V，實(shí)現了HVLC的方式。
圖3
嗅探筆記本PD 2.0流量
我可能無(wú)法測量電池充電器和電池之間的實(shí)際5G智能手機IBAT電流，但我可以用Total Phase®的PD嗅探器測量TA和5G智能手機之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。
但在我這樣做之前，讓我們在筆記本電腦和FUSB3307 USB Power Delivery 3.0自適應源充電控制器60 W評估板(EVB)源之間嗅探VBUS/IBUS的PD 2.0，如下圖4所示。
在此設置中，筆記本電腦PD 2.0 Sink和FUSB3307 EVB PD 3.0源之間使用一條5 A電纜?？傁辔恍崽狡髋cFUSB3307 EVB和5 A電纜串聯(lián)插入。
連接后，FUSB3307 EVB以4個(gè)固定PDO和3個(gè)PPS（增強型）PDO的形式宣傳其源能力。筆記本要求的是20 V/3 A的固定PDO，但最多只需要1.5 A。FUSB3307接受筆記本電腦的請求，電源合約完成。
在圖5中，您可看到VBUS(紅色)步入20 V，隨著(zhù)筆記本電腦啟動(dòng)(從空電池開(kāi)始)，動(dòng)態(tài)IBUS電流(藍色)上升到~1.3 A，或~30 W。
嗅探5G智能手機PD 3.0 PPS流量
現在讓我們把注意力轉向圖6和圖7，我將筆記本電腦與5G智能手機替換，源頭用100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。
5G智能手機最初請求并獲得一個(gè)5 V固定PDO，但大約7秒后，5G智能手機請求并獲得一個(gè)PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。
5G智能手機立即進(jìn)入一個(gè)算法，即每隔210 msec將其請求的電壓(紅色)從8 V遞增到9.28 V，以40 mV的步長(cháng)遞增，同時(shí)在約7秒的時(shí)間內將電流(藍色)從2 A遞增(下沉)到4 A。而在整個(gè)充電過(guò)程中，5G智能手機還在繼續與FUSB3307源進(jìn)行通信。
5G智能手機PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對比
筆記本電腦表現出的PD 2.0流量雖然有效，但相對簡(jiǎn)單。在附加的第1秒內，一個(gè)20 V/1.5 A的電源合約被協(xié)商并授予，沒(méi)有再觀(guān)察到PD流量。帶PPS的5G智能手機表現完全不同。
5G智能手機是一個(gè)復雜算法的主人，它不斷指示FUSB3307源改變其電壓輸出，因為5G智能手機巧妙地提升了其負載電流。
5G智能手機/FUSB3307的峰值功率是在附加后約60秒觀(guān)察到的，為37.68 W(9.6 V/3.925 A)。這與我估計的以1.5 C速率給電池充電所需的功率相差不大，或者說(shuō)在電池上充電所需的功率為32.6 W (圖2)，以實(shí)現約22分鐘(0%至50%SoC)的TTC?，F在這就是快速充電。
高效快充的 "A、B、C"，以及PPS
5G和更大的屏幕推動(dòng)了智能手機電池的增大，再加上客戶(hù)對 "快充 "的期待，對旅行適配器的功率要求更高，以最近發(fā)布的5G智能手機為例，功率達到45 W。
然而，功率耗散的增加將以熱量的形式跟蹤這種功率的增加。所以，現在能效變得比以往更加關(guān)鍵，這就是PPS的作用。
如果我們檢閱圖8的通用“墻到電池”鋰離子充電框圖，其目標是通過(guò)PMIC向系統提供電源，并通過(guò)電源路徑FET，將1S電池從空電(約3 V)充電到滿(mǎn)電(4.35 V)。
無(wú)論采用何種技術(shù)(開(kāi)關(guān)式、線(xiàn)性式或旁路式)，如果電池充電器的輸入電壓(B)略高于其輸出電壓(C)，或 VBAT，那么電池充電器總是會(huì )以更高的能效工作。
而更復雜的是，VBAT總是一個(gè)移動(dòng)的目標，原因有二：
1）電池電壓在從空電到滿(mǎn)電的充電過(guò)程中會(huì )上升，并且...
2）電池電壓隨著(zhù)異步負載的變化而升降。
為了優(yōu)化能效，旅行適配器(TA)的輸出(A)電壓需要由Sink的MCU嚴格控制，現在MCU成為“充電算法主法”。
在通過(guò)電量計讀取VBAT和感測電荷泵VOUT之間，MCU策略管理器可以通過(guò)CC引腳，以20 mV的顆粒度(PPS)嚴密控制帶有PD協(xié)議信息的TA VOUT。
通過(guò)添加PPS，移動(dòng)設備現在可以為更大的電池充電，更快、更安全、更高效。FUSB3307 EVB(圖9)成功支持5G智能手機的復雜PPS充電算法。
圖8
FUSB3307 評估板(EVB)
FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V直流輸入，并提供5 V – 20 V USB PD輸出，符合PD 2.0和PD 3.0規范，包括與可編程電源(PPS)。
FUSB3307是一款基于狀態(tài)機的PD控制器和USB-C端口控制器。因此不需要MCU，也不需要開(kāi)發(fā)固件。而且沒(méi)有固件意味著(zhù)防篡改，這在醫療應用中是有利的。只需將其焊接下來(lái)，就能自主運行。
FUSB3307狀態(tài)機包括PD策略管理器，并通過(guò)FUSB3307 CATH輸出引腳驅動(dòng)Comp輸入來(lái)控制NCV81599降壓-升壓。FUSB3307還自主控制VBUS FET。
圖9
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