5G、快速充电和USB-C™可编程电源的融合

引言：当2016年推出100 W(USB3.0)充电时，消费者摇了摇头。“谁会需要那么大的功率，而大多数智能手机都可以用10 W充电？”

好吧，如果在2020年最近发布的5G手机浪潮预示着未来的迹象，45 W智能手机充电器将会是司空见惯。

而随着充电功率的提升，效率的重要性也在增加。USB-C (又称USB Type C) 最新的PD 3.0规范，尤其是可编程电源(PPS)，是目前市场上效率最高的充电方案，也正因如此，将成为未来智能手机、平板电脑和笔记本电脑充电的首选。

PD 3.0 (PPS) 比PD 2.0优胜之处

PD 2.0允许最多7个功率数据对象(PDOs)，用于揭示源端口的电源能力或汇源的功率需求，通过USB-C、CC引脚在PD信息中传输。

相比之下，PD 3.0，PPS提供了图1所示的“电压和电流范围”PDO。

PPS的优势在于，与固定PDO相比，可以“更细粒度”地请求电压/电流。这有助于优化电源和功率耗散器之间的充电效率。

图1

5G 智能手机电池尺寸

最近发布的一款5G智能手机配备了6.9英寸的屏幕和5000 mAh锂离子电池容量，比之前的型号容量增加了25%。我猜测屏幕尺寸和5G都对增加电池尺寸起作用。

但无论如何，电池体积增加25%，意味着需要AC-DC旅行适配器(TA)提供更多的电量，才能继续宣称 "快速充电"。而USB-C PPS是达标的合理选择。

快充

“快速充电”这个词经常被提到。传统上，锂离子充电可以在0.7 充电速率(C-rate)下安全完成。C-rate是简单的充电电流除以电池容量。例如，0.7 C速率的充电电流对1000 mAh的电池来说是700 mA。

但是，通常将一块空电池从0%充电到50%的充电状态(SoC)需要约45分钟(图2)的充电时间(TTC)。这并不是那么快。

而且，您不能简单地通过“提高电流”来改善TTC。以1-C速率给电池充电，而其数据表上写的是0.7 C速率，这将导致电池过早老化，或可能导致永久性损坏。

请记住，根据其数据表，锂离子电池必须在至少500次充电循环周期后保留至少80%的原始容量。

更快的充电时间(TTC)意味着更多的电量

为了改善TTC，电池制造商正在设计大于1 C速率的充电电池，或更快的充电。

这主要需要降低电池的内部阻抗，以延长充电曲线在电池电压达到最大电压和充电曲线转换到恒定电压(CV)模式之前保持在恒定电流(CC)模式的时间(假设您从空电池开始充电)。

如图2所示，通过以1 C速率与0.7 C速率充电，可以将0-50%的SoC TTC缩短15分钟，如果采用1.5 C速率，则更快，可缩短至22分钟。

不过，5000 mAh电池的1.5 C速率需要进行7.5 A充电和32.6 W（4.35 V×7.5 A）峰值充电功率。这在一个小空间里是很多的电量。

图2

我并不了解最近发布的5G智能手机内部的实际充电情况，但它确实在发货时配备了一个25 W PPS充电器，并宣传该手机接受45 W PPS充电器配件（图3）。

如果我从45 W的旅行适配器开始，并假设从墙壁到电池的能效为80%左右（大概），那我就有~36 W的电量进入电池。~36W与计算出的32.6 W所需的~22分钟、0%至50% SoC的充电时间相差不大，如上图2所示。

值得一提的是，由于USB-C连接器的最大电流是5 A，为了达到7.5 A的IBAT，在5G手机内部的USB Type-C连接器和电池充电器之间需要一个“除以2”的充电泵。

例如，TA可能输出10 V/4 A，而电荷泵将输出5 V/8 A（假设理想的功率损耗）。这有时被称为HVLC（高电压、低电流）。

正如物理学告诉我们的那样，功率耗散是I2R ，所以从TA到手机（约1米长的电缆）以HVLC，比LVHC（低电压高电流）的方式输送功率是有好处的。

而随着Type C连接器的到来，USB-C PD 2.0将VBUS最大电压从5 V提高到20 V，实现了HVLC的方式。

图3

嗅探笔记本PD 2.0流量

我可能无法测量电池充电器和电池之间的实际5G智能手机IBAT电流，但我可以用Total Phase®的PD嗅探器测量TA和5G智能手机之间的VBUS电压和电流(IBUS)。

但在我这样做之前，让我们在笔记本电脑和FUSB3307 USB Power Delivery 3.0自适应源充电控制器60 W评估板(EVB)源之间嗅探VBUS/IBUS的PD 2.0，如下图4所示。

在此设置中，笔记本电脑PD 2.0 Sink和FUSB3307 EVB PD 3.0源之间使用一条5 A电缆。总相位嗅探器与FUSB3307 EVB和5 A电缆串联插入。

连接后，FUSB3307 EVB以4个固定PDO和3个PPS（增强型）PDO的形式宣传其源能力。笔记本要求的是20 V/3 A的固定PDO，但最多只需要1.5 A。FUSB3307接受笔记本电脑的请求，电源合约完成。

在图5中，您可看到VBUS(红色)步入20 V，随着笔记本电脑启动(从空电池开始)，动态IBUS电流(蓝色)上升到~1.3 A，或~30 W。

嗅探5G智能手机PD 3.0 PPS流量

现在让我们把注意力转向图6和图7，我将笔记本电脑与5G智能手机替换，源头用100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。

5G智能手机最初请求并获得一个5 V固定PDO，但大约7秒后，5G智能手机请求并获得一个PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。

5G智能手机立即进入一个算法，即每隔210 msec将其请求的电压(红色)从8 V递增到9.28 V，以40 mV的步长递增，同时在约7秒的时间内将电流(蓝色)从2 A递增(下沉)到4 A。而在整个充电过程中，5G智能手机还在继续与FUSB3307源进行通信。

5G智能手机PD 3.0与笔记本电脑PD 2.0流量对比

笔记本电脑表现出的PD 2.0流量虽然有效，但相对简单。在附加的第1秒内，一个20 V/1.5 A的电源合约被协商并授予，没有再观察到PD流量。带PPS的5G智能手机表现完全不同。

5G智能手机是一个复杂算法的主人，它不断指示FUSB3307源改变其电压输出，因为5G智能手机巧妙地提升了其负载电流。

5G智能手机/FUSB3307的峰值功率是在附加后约60秒观察到的，为37.68 W(9.6 V/3.925 A)。这与我估计的以1.5 C速率给电池充电所需的功率相差不大，或者说在电池上充电所需的功率为32.6 W (图2)，以实现约22分钟(0%至50%SoC)的TTC。现在这就是快速充电。

高效快充的 "A、B、C"，以及PPS

5G和更大的屏幕推动了智能手机电池的增大，再加上客户对 "快充 "的期待，对旅行适配器的功率要求更高，以最近发布的5G智能手机为例，功率达到45 W。

然而，功率耗散的增加将以热量的形式跟踪这种功率的增加。所以，现在能效变得比以往更加关键，这就是PPS的作用。

如果我们检阅图8的通用“墙到电池”锂离子充电框图，其目标是通过PMIC向系统提供电源，并通过电源路径FET，将1S电池从空电(约3 V)充电到满电(4.35 V)。

无论采用何种技术(开关式、线性式或旁路式)，如果电池充电器的输入电压(B)略高于其输出电压(C)，或 VBAT，那么电池充电器总是会以更高的能效工作。

而更复杂的是，VBAT总是一个移动的目标，原因有二：

1）电池电压在从空电到满电的充电过程中会上升，并且...

2）电池电压随着异步负载的变化而升降。

为了优化能效，旅行适配器(TA)的输出(A)电压需要由Sink的MCU严格控制，现在MCU成为“充电算法主法”。

在通过电量计读取VBAT和感测电荷泵VOUT之间，MCU策略管理器可以通过CC引脚，以20 mV的颗粒度(PPS)严密控制带有PD协议信息的TA VOUT。

通过添加PPS，移动设备现在可以为更大的电池充电，更快、更安全、更高效。FUSB3307 EVB(图9)成功支持5G智能手机的复杂PPS充电算法。

图8

FUSB3307 评估板(EVB)

FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V直流输入，并提供5 V – 20 V USB PD输出，符合PD 2.0和PD 3.0规范，包括与可编程电源(PPS)。

FUSB3307是一款基于状态机的PD控制器和USB-C端口控制器。因此不需要MCU，也不需要开发固件。而且没有固件意味着防篡改，这在医疗应用中是有利的。只需将其焊接下来，就能自主运行。

FUSB3307状态机包括PD策略管理器，并通过FUSB3307 CATH输出引脚驱动Comp输入来控制NCV81599降压-升压。FUSB3307还自主控制VBUS FET。

图9

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