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5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合

發布時間:2020-09-15 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】當2016年推出100 W(USB3.0)充電時,消費者搖了搖頭。“誰會需要那么大的功率,而大多數智能手機都可以用10 W充電?
 
好吧,如果在2020年最近發布的5G手機浪潮預示著未來的跡象,45 W智能手機充電器將會是司空見慣。
 
而隨著充電功率的提升,效率的重要性也在增加。USB-C (又稱USB Type C) 最新的PD 3.0規范,尤其是可編程電源(PPS),是目前市場上效率最高的充電方案,也正因如此,將成為未來智能手機、平板電腦和筆記本電腦充電的首選。
 
 
PD 3.0 (PPS) 比PD 2.0優勝之處
 
PD 2.0允許最多7個功率數據對象(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。這有助于優化電源和功率耗散器之間的充電效率。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖1
 
5G 智能手機電池尺寸
 
最近發布的一款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。
 
但無論如何,電池體積增加25%,意味著需要AC-DC旅行適配器(TA)提供更多的電量,才能繼續宣稱 "快速充電"。而USB-C PPS是達標的合理選擇。
 
快充
 
“快速充電”這個詞經常被提到。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的電池來說是700 mA。
 
但是,通常將一塊空電池從0%充電到50%的充電狀態(SoC)需要約45分鐘(圖2)的充電時間(TTC)。這并不是那么快。
 
而且,您不能簡單地通過“提高電流”來改善TTC。以1-C速率給電池充電,而其數據表上寫的是0.7 C速率,這將導致電池過早老化,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次充電循環周期后保留至少80%的原始容量。
 
更快的充電時間(TTC)意味著更多的電量
 
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,以延長充電曲線在電池電壓達到最大電壓和充電曲線轉換到恒定電壓(CV)模式之前保持在恒定電流(CC)模式的時間(假設您從空電池開始充電)。
 
如圖2所示,通過以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,5000 mAh電池的1.5 C速率需要進行7.5 A充電和32.6 W(4.35 V×7.5 A)峰值充電功率。這在一個小空間里是很多的電量。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖2
 
我并不了解最近發布的5G智能手機內部的實際充電情況,但它確實在發貨時配備了一個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“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)。這有時被稱為HVLC(高電壓、低電流)。
 
正如物理學告訴我們的那樣,功率耗散是I2R ,所以從TA到手機(約1米長的電纜)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Type C連接器的到來,USB-C PD 2.0將VBUS最大電壓從5 V提高到20 V,實現了HVLC的方式。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖3
 
嗅探筆記本PD 2.0流量
 
我可能無法測量電池充電器和電池之間的實際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。總相位嗅探器與FUSB3307 EVB和5 A電纜串聯插入。
 
連接后,FUSB3307 EVB以4個固定PDO和3個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,隨著筆記本電腦啟動(從空電池開始),動態IBUS電流(藍色)上升到~1.3 A,或~30 W。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
 
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5 V固定PDO,但大約7秒后,5G智能手機請求并獲得一個PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。
 
5G智能手機立即進入一個算法,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的步長遞增,同時在約7秒的時間內將電流(藍色)從2 A遞增(下沉)到4 A。而在整個充電過程中,5G智能手機還在繼續與FUSB3307源進行通信。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
 
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,但相對簡單。在附加的第1秒內,一個20 V/1.5 A的電源合約被協商并授予,沒有再觀察到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,或者說在電池上充電所需的功率為32.6 W (圖2),以實現約22分鐘(0%至50%SoC)的TTC。現在這就是快速充電。
 
高效快充的 "A、B、C",以及PPS
 
5G和更大的屏幕推動了智能手機電池的增大,再加上客戶對 "快充 "的期待,對旅行適配器的功率要求更高,以最近發布的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PMIC向系統提供電源,并通過電源路徑FET,將1S電池從空電(約3 V)充電到滿電(4.35 V)。
 
無論采用何種技術(開關式、線性式或旁路式),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以更高的能效工作。
 
而更復雜的是,VBAT總是一個移動的目標,原因有二:
 
1)電池電壓在從空電到滿電的充電過程中會上升,并且...
2)電池電壓隨著異步負載的變化而升降。
 
為了優化能效,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CC引腳,以20 mV的顆粒度(PPS)嚴密控制帶有PD協議信息的TA VOUT。
 
通過添加PPS,移動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。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
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,也不需要開發固件。而且沒有固件意味著防篡改,這在醫療應用中是有利的。只需將其焊接下來,就能自主運行。
 
FUSB3307狀態機包括PD策略管理器,并通過FUSB3307 CATH輸出引腳驅動Comp輸入來控制NCV81599降壓-升壓。FUSB3307還自主控制VBUS FET。
 
5G、快速充電和USB-C可編程電源的融合
圖9
 
 
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