如果說(shuō)最近的5G智能手機(jī)具有更大的屏幕、更大的鋰離子電池容量和“快速充電(快充)”等特點(diǎn)，是表明著未來(lái)手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，那么usb-c (usb type-c)的PD 3.0規(guī)范，尤其是可編程電源(PPS)，將成為usb供電的。

usb自1996年問(wèn)世以來(lái)，在移動(dòng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通信、充電和供電的標(biāo)準(zhǔn)化方面提供了空前的領(lǐng)導(dǎo)地位。 usb技術(shù)的更大飛躍發(fā)生在2013年至2016年，當(dāng)時(shí)usb委員會(huì)集體批準(zhǔn)了：

1）usb3.1 Super Speed + Gen 1（5Gbps）和Gen 2（10Gbps）數(shù)據(jù)通信

2）電源供電Power Delivery 2.0或PD，更高100W或20V/5A

3）type-c連接器（修訂版1.2）

圖1：usb的演進(jìn)type-c連接器有24個(gè)觸點(diǎn)（兩排各12個(gè)觸點(diǎn)），設(shè)計(jì)用以處理高達(dá)100 W、20V/5A的電流，以非常緊湊的外形尺寸（僅2.4mm高度）提供可正反逆插的插頭插入和附件方向檢測(cè)，，并承諾放棄我們都愛(ài)恨交加的傳統(tǒng)電纜的糾纏“老鼠窩”。

100 W…真的嗎？

從7.5W充電（usb3.0）到100W（usb 3.1）是個(gè)相當(dāng)大的飛躍。 也許有人會(huì)問(wèn)，當(dāng)大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備使用15 W ~45 W充電器就能正常工作時(shí)，誰(shuí)真的需要100W？然而，如果過(guò)去的情況能說(shuō)明未來(lái)的趨勢(shì)，那么明天的創(chuàng)新將比我們想象的更快吞噬100W。

充電和供電很像供需經(jīng)濟(jì)學(xué)。 這是一種共生關(guān)系，如果需求不增長(zhǎng)，則供給不會(huì)增加，相反如果供給不增加，需求就會(huì)停滯不前。 將usb供電功率從7.5W提升至100W，只是讓更多的設(shè)備通過(guò)usb充電。

USB-C PD電力協(xié)議

在使用usb 3.1和type-c連接器之前，usb充電設(shè)備通過(guò)D+和D-端子上的非數(shù)據(jù)信令來(lái)識(shí)別usb充電端口。雖然此方法在高達(dá)7.5W的情況下也能正常工作，但要在usb源(source)和usb接收端(sink)之間安全地提供高達(dá)100W（20V/5A）的功率，則需要一種更精密、更強(qiáng)大的方法。

總的來(lái)說(shuō)，usb 3.1、PD 2.0和type-c連接器引入了一種雙線、單線協(xié)議，橫跨source和sink之間的CC線（圖2），具有全面的消息傳遞功能。 這種PD消息傳遞的一個(gè)用途是協(xié)商電力協(xié)議。 電力協(xié)議很像從菜單上訂購(gòu)餐廳食物。 在基于隱式協(xié)議（更大15 W）連接source和sink之后，如果兩個(gè)端口都具有PD功能，則必須建立顯式協(xié)議或PD 電力協(xié)議（更高100 W）。

圖2：usb-c/PD電力協(xié)議所有合規(guī)的大于3A type-c電纜都必須包含電子標(biāo)記的電纜或emarker。 因此，如果檢測(cè)到電纜中的emarker，一個(gè)具有大于3A能力的源設(shè)備可能做的件事就是向emarker發(fā)送“發(fā)現(xiàn)身份(Discover Identity)”或SVID消息。 Sources和Sinks在接收到消息開(kāi)始時(shí)，會(huì)對(duì)一個(gè)SOP（數(shù)據(jù)包開(kāi)始Start of Packet）做出響應(yīng)。 為了避免沖突，emarker在接收到消息開(kāi)始時(shí)對(duì)SOP’做出響應(yīng)。

一旦Source了解到電纜是否具有大于3A的能力，它便會(huì)廣告其V / I功能，就像餐廳的菜單一樣。 然后，sink請(qǐng)求源設(shè)備宣告的供電能力選項(xiàng)之一，類(lèi)似于餐廳客戶(hù)。 如果請(qǐng)求是可接受的，則Source將提供商定的電力。 每次發(fā)送消息時(shí)，消息接收方都會(huì)向消息發(fā)送方發(fā)送一條“ Good CRC”消息，通知發(fā)送方該消息已無(wú)誤接收。

USB-C PD 2.0對(duì)比PD 3.0

PD 2.0允許最多7個(gè)功率選項(xiàng)(PDO)，用于揭示source端口的電源能力或sink的電力需求，通過(guò)usb type c、CC引腳在PD消息中傳輸。 相比之下，PD 3.0、PPS提供圖3所示的“電壓和電流范圍” PDO。PPS的優(yōu)勢(shì)在于，與固定PDO相比， sink可以更加精細(xì)的步進(jìn)值來(lái)請(qǐng)求電壓/電流。 這有助于優(yōu)化source和sink之間的充電效率。

圖3：PD 2.0 對(duì)比 3.0

5G智能手機(jī)電池尺寸

最近發(fā)布的一款5G智能手機(jī)配備6.9英寸大屏幕和5,000 mAh鋰離子電池，相比之前的型號(hào)電池容量因而增加了25%。 屏幕尺寸和5G都對(duì)電池尺寸的增加有影響。 電池尺寸增加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(xù)宣傳“快充”功能。 而usb-c PPS是實(shí)現(xiàn)這一功能的。

快充

傳統(tǒng)上，鋰離子充電在0.7的充電速率(C-rate)下安全完成（C-rate簡(jiǎn)單指充電電流除以電池容量）。 例如， 0.7C-rate的充電電流對(duì)1,000 mAh電池來(lái)說(shuō)是700 mA。 但是，通常情況下，將一塊空電池從0％充電到50％的充電狀態(tài)（SoC）約需45分鐘（圖4）的充電時(shí)間（TTC）。這并不是那么快，而且，您不能簡(jiǎn)單地增加電流來(lái)改善TTC。，當(dāng)一個(gè)電池的數(shù)據(jù)表上寫(xiě)明它的充電為0.7 C-rate時(shí)，以1 C-rate充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)早老化，或可能導(dǎo)致性損壞。 而根據(jù)其數(shù)據(jù)表，鋰離子電池在使用至少500次后，必須保留至少80％的原始容量。  

更快的充電時(shí)間（TTC）意味著更多的電量

為了改善TTC，電池制造商正在設(shè)計(jì)大于1 C-rate的充電電池，或更快的充電解決方案。 這主要需要降低電池的內(nèi)部阻抗，以延長(zhǎng)充電曲線在電池電壓達(dá)到更大電壓和充電曲線轉(zhuǎn)換到恒壓（CV）模式之前保持在恒定電流（CC）模式的時(shí)間（假設(shè)您從空電池開(kāi)始充電）。 如圖5所示，0-50％的SoC TTC，以1 C-rate充電可比0.7 C-rate充電縮短15分鐘，如以1.5 C rate充電則更快，可縮短至22分鐘。 不過(guò)，5000 mAh電池的1.5 C-rate需要進(jìn)行7.5 A充電和32.6W（4.35 V x 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4：充電率與充電時(shí)間雖然不了解最近發(fā)布的5G智能手機(jī)內(nèi)部的實(shí)際充電情況，但它確實(shí)配備了一個(gè)25W PPS充電器，并接受45W PPS充電器配件。如果您要使用45W旅行適配器，并假設(shè)從墻壁到電池的能效在80％左右，則約有36W電量進(jìn)入電池。這與計(jì)算出的32.6W所需的22分鐘、0％至50％ SoC的充電時(shí)間相差不大，如上圖 5所示。

值得一提的是，由于usb-c連接器的更大電流為5A，為了實(shí)現(xiàn)7.5A IBAT，在5G手機(jī)內(nèi)部的type-c連接器和電池充電器之間需要一個(gè)“半壓”電荷泵（圖5）。例如，TA可能輸出10V/4A，而電荷泵將輸出5V/8A（假設(shè)理想的功率損耗）。這有時(shí)被稱(chēng)為高電壓，低電流（HVLC）。正如物理學(xué)告訴我們的那樣，功率耗散為I2R，因此將功率從TA傳輸?shù)绞謾C(jī)（?1米電纜），HVLC比低壓大電流（LVHC）更具 “能效優(yōu)勢(shì)”。而隨著type-c連接器的問(wèn)世，usb-c PD將VBUS的更大電壓從5V提高到20V，促成了HVLC的方式。

圖5：5G智能手機(jī)內(nèi)部的半壓電荷泵

分析筆記本電腦PD 2.0的流量

您可能無(wú)法測(cè)量電池充電器和電池之間的實(shí)際5G智能手機(jī)的內(nèi)部IBAT電流，但可使用Total Phase的PD分析器(sniffer)測(cè)量TA和5G智能手機(jī)之間的VBUS電壓和電流(IBUS)。但在執(zhí)行此操作前，您可在筆記本電腦和FUSB3307 60 W評(píng)估板(EVB) Source之間分析VBUS / IBUS 的PD 2.0，如圖6所示。

在此演示設(shè)置中，筆記本電腦PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之間使用一條5 A電纜。Total Phase分析器與FUSB3307 EVB和5 A電纜串聯(lián)插入。連接后，F(xiàn)USB3307 EVB以四個(gè)固定PDO和三個(gè)PPS（增強(qiáng)型）PDO的形式通告其source能力。筆記本電腦請(qǐng)求使用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(qǐng)求，電力協(xié)議完成。在圖7中，您可看到VBUS（紅色）從5 V上升到20 V，隨著筆記本電腦啟動(dòng)（從空電池開(kāi)始），動(dòng)態(tài)IBUS電流（藍(lán)色）上升到?1.3 A或?30 W。

圖6：筆記本電腦演示

圖7：根據(jù)圖6的設(shè)計(jì)所示， 筆記本電腦的VBUS 及IBUS  

分析5G智能手機(jī)PD 3.0 PPS的流量

從圖8和圖9來(lái)看，將筆記本電腦換成5G智能手機(jī)，source換成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。 5G智能手機(jī)最初請(qǐng)求并獲得一個(gè)5 V固定PDO，但約7秒鐘后，請(qǐng)求并獲得一個(gè)PPS（3 V至21 V / 5 A）PDO。 5G智能手機(jī)立即進(jìn)入 “算法”，即每隔210毫秒，將其請(qǐng)求的電壓（紅色）從8 V遞增到9.28 V，以40 mV的步長(zhǎng)遞增，同時(shí)在約7秒的時(shí)間內(nèi)將電流（藍(lán)色）從2 A遞增（接收）到4 A。 在整個(gè)充電過(guò)程中，5G智能手機(jī)持續(xù)與FUSB3307 source進(jìn)行通信。

圖8：5G手機(jī)演示設(shè)置

圖9：根據(jù)圖8的設(shè)計(jì)所示， 5G手機(jī)的VBUS IBUS

PPS電流限制(CL)警報(bào)

安全是供電(PD)的一個(gè)重要方面。 在圖10中，當(dāng)5G手機(jī)將請(qǐng)求的電源電壓(紅色)從8V增加到9.28V時(shí)，請(qǐng)求的更大工作電流為4A，F(xiàn)USB3307 100 W source向手機(jī)發(fā)送一條``警報(bào)''信息：告知已達(dá)到4A“電流限制”(CL)。

圖10：PPS電流限制警報(bào)（CL）

5G智能手機(jī)PD 3.0與筆記本電腦PD 2.0流量對(duì)比分析

筆記本電腦表現(xiàn)出的PD 2.0流量雖然有效，但相對(duì)簡(jiǎn)單。在連接的秒內(nèi)，協(xié)商并授予了20V/1.5A電力協(xié)議，沒(méi)有觀察到進(jìn)一步的PD流量。帶PPS的5G智能手機(jī)表現(xiàn)則完全不同。5G智能手機(jī)是精密算法的主控器，它不斷地與FUSB3307 source通信，指示它更改其電壓輸出，因此5G智能手機(jī)巧妙地地提高其負(fù)載電流。實(shí)際上，PPS包括一個(gè)規(guī)定，在source和sink信息傳遞之間有一個(gè)最長(zhǎng)15秒的“保持活動(dòng)”時(shí)間。因此，在PPS運(yùn)行中，source和sink在CC觸點(diǎn)上一直保持恒定的數(shù)字通信。

5G智能手機(jī)/FUSB3307在連接后60秒左右觀察到峰值功率為37.68W（9.6V /3.925A）。這與以1.5 Crate給電池充電所需的估計(jì)功率相差不大，或者說(shuō)在電池上充電所需的功率為32.6W， 才能實(shí)現(xiàn)22分鐘左右的快速TTC（0％至50% SoC）。

高效快充的充電細(xì)節(jié) ，以及PPS

5G和更大的屏幕在推動(dòng)智能手機(jī)電池的增大，再加上客戶(hù)對(duì)“快充”的期待，對(duì)旅行適配器的功率要求更高，達(dá)到45W。 然而，功率耗散的增加將以熱量的形式跟隨這種功率的增加。 因此，能效變得越來(lái)越關(guān)鍵， 這就是PPS的作用。

如果我們檢閱圖11的通用“墻到電池”鋰離子充電框圖，目標(biāo)是通過(guò)PMIC為系統(tǒng)供電，并通過(guò)功率路徑FET將1S電池從空充電量 （?3V）充至滿(mǎn)電（4.35V）。 無(wú)論采用哪種技術(shù)（開(kāi)關(guān)、線性或旁路），如果電池充電器的輸入電壓（B）略高于其輸出電壓（C），或VBAT，則電池充電器總是會(huì)以更高能效工作。 而更復(fù)雜的是，VBAT總是一個(gè)流動(dòng)目標(biāo)，原因有二：

1）電池電壓在由空到滿(mǎn)的充電曲線中會(huì)上升，并且

2）電池電壓隨著異步負(fù)載的變化而升降。

為優(yōu)化能效，旅行適配器（TA）的輸出（A）電壓需要由sink的MCU嚴(yán)格控制，現(xiàn)在MCU成為“充電算法主控器”。 在通過(guò)電量計(jì)讀取VBAT和檢測(cè)電荷泵VOUT之間，MCU 策略管理器(Policy Manager)可通過(guò)CC引腳用PD協(xié)議消息以20 mV的控制精度（PPS）對(duì)TA VOUT提供嚴(yán)格控制。

添加PPS后，移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)在可以更快、更安全、更高效地為更大的電池充電。 安森美半導(dǎo)體的FUSB3307評(píng)估板支持5G智能手機(jī)的精密PPS充電算法。

圖11：高效快充的細(xì)節(jié)說(shuō)明

 總結(jié)

PPS集功率、安全和高效于一身。USB-C/PD 3.0的極精細(xì)的V/I步進(jìn)，高達(dá)100W（20V/5A）可編程電源（PPS），可實(shí)現(xiàn)更高能效，用于5G智能手機(jī)快充（0至50% SoC約22分鐘）。 PPS還實(shí)現(xiàn) “從墻到電池”的控制回路架構(gòu)，其中USB-C/PD sink通過(guò)type c連接器的CC觸點(diǎn)上的雙向單線協(xié)議，采用智能從屬旅行適配器，成為精密而安全的充電算法的主控器。PPS source在恒壓（CV）模式（默認(rèn)）或電流限制（CL）模式下工作，并在更改模式時(shí)用警報(bào)信息通知sink。5G智能手機(jī)采用PPS的事實(shí)清楚地表明，PPS是，并將持續(xù)。