如何應對USB PD在移動設備中快速充電的新挑戰(zhàn)？

當前增長最快的電源應用是什么？毫無疑問，智能手機等移動設備的快速充電方式占有一席之地。USB PD技術為移動設備快速充電提供了卓越的性能，但與此同時，它也給電源適配器帶來了設計和BOM成本上的挑戰(zhàn)。那么，用于移動設備快速充電的電源適配器主要面臨哪些挑戰(zhàn)？USB PD解決方案又如何解決這些挑戰(zhàn)？

Dialog系統(tǒng)和應用高級總監(jiān)李勇博士說，未來電源適配器將會朝著體積越來越小、功率越來越高、充電速度越來越快、安全性越來越高的方向發(fā)展。為滿足這些趨勢，市場需要具有高功率密度和超高效率的IC解決方案，并使用更少且更小的元件，這需要能夠?qū)ｉT為AC/DC電源優(yōu)化的USB PD解決方案，它們能夠提供可靠、低成本的系統(tǒng)方案，并簡化適配器設計。

Dialog系統(tǒng)和應用高級總監(jiān)李勇博士

快速充電的關鍵挑戰(zhàn)是什么？

移動設備的快速充電對電源適配器帶來了許多挑戰(zhàn)，其中成本、安全性和各種快速充電協(xié)議是最大的挑戰(zhàn)。目前市場上有眾多不同的快速充電協(xié)議，包括高通Quick Charge 2.0/3.0（QC2.0/3.0）、聯(lián)發(fā)科技PumpExpress Plus（PE+ 1.0/2.0）、三星自適應快速充電（AFC）、華為快速充電協(xié)議（FCP）、針對直充的華為超級充電協(xié)議（SCP）、其他OEM廠商專有協(xié)議、USB Power Delivery（USB PD 2.0, 3.0）、USB-IF可編程電源（PPS）、高通Quick Charge 4+（QC4+）等等。其他挑戰(zhàn)還包括：功率密度、恒壓恒流（CVCC）規(guī)范、效率、空載待機功耗、動態(tài)負載響應、音頻噪聲、用戶體驗和EMI / EMC共模噪聲等。

李勇博士表示，理想的快速充電系統(tǒng)是能夠協(xié)商任何電流和任何電壓，不管協(xié)議如何，能夠克服電源適配器系統(tǒng)的各種挑戰(zhàn)。

如何對AC/DC電源進行優(yōu)化？

USB PD通過單根線纜提供更靈活的電力和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多個外設優(yōu)化電源管理，并提供智能、靈活的系統(tǒng)級電源管理。但是在移動設備的AC/DC快速充電方面仍存在一些限制，需要對其進行優(yōu)化。

據(jù)李勇博士介紹，傳統(tǒng)的USB PD解決方案未對AC/DC電源進行優(yōu)化；有些功能超出需求（例如音頻模式，雙向功率流）。它們通常是基于DSP或MCU的，其內(nèi)在控制器IC成本較高。它們需要許多外部元件和較高的系統(tǒng)BOM成本，還要求電源硬件工程師編寫軟件或固件，其系統(tǒng)設計流程通常很復雜，而且產(chǎn)品設計周期也很長。因此，市場需要一款專門為AC/DC優(yōu)化的USB PD解決方案。

他以Dialog的一款USB PD解決方案為例介紹，該方案專門針對AC/DC進行了優(yōu)化，由iW1781（針對USB PD優(yōu)化的一次側(cè)控制器）、iW676（針對直充和USB PD優(yōu)化的同步整流控制器）和iW656（USB PD2.0接口IC）組成。而為了推動向USB PD 3.0 / PPS的演進，Dialog還推出了iW656P和iW657P二次側(cè)接口IC。這兩款IC均支持USB PD 3.0和PPS協(xié)議，與一次側(cè)控制器iW1791結合，該芯片組組成了優(yōu)化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解決方案。

如何為便攜式電源適配器進行簡化和優(yōu)化？

李勇博士介紹，為便攜式電源適配器進行簡化和優(yōu)化的關鍵在于USB PD控制器，它需要具有更高的集成度，覆蓋更寬的電壓范圍，實現(xiàn)更低的IC成本。

Dialog在一款USB PD / PPS電源適配器設計中，使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器。其中，iW656P / iW657P提供iW656的全部功能，并支持USB PD 3.0、高通QuickCharge 4+、USB PPS和直接充電。它提供低至10mV /step的VBUS 分辨率、板載VBUS / TJ / VSD測量和增強的USB Type-C控制，包括對智能線纜的VCONN支持。iW657P還提供額外的電流檢測功能，可通過板載ADC測量次級電流，并與移動設備通信，實現(xiàn)更智能的控制和保護。

圖1. 使用iW657P + iW1791 + iW676的USB PD/PPS電源適配器設計示例

這是單一PCB板實現(xiàn)完整的USB PD電源適配器的設計，它無需子板，而傳統(tǒng)的解決方案中通常需要用子板來托管基于MCU的USB PD控制器。該方案大大簡化了外部元件的數(shù)量，實現(xiàn)了簡單的電源設計，并且無需編寫軟件或固件。

李勇博士介紹，USB PD 3.0向后兼容USB PD 2.0，并增加了直接充電功能。它為可編程電源模式提供了一種新型增強供電數(shù)據(jù)對象（APDO）。移動設備可以高精度地在規(guī)定范圍內(nèi)請求和控制電源適配器的輸出電壓，并實現(xiàn)可編程電流折返。它提供了一種新的支持直充和其他充電算法的機制。PPS需要20mV /step電壓分辨率，最小電壓可降至3.3V。采用PPS設計的便攜式電源適配器可以直接為移動設備內(nèi)的電池充電，包括智能手機，這有助于解決移動設備端電源管理的散熱和成本方面的挑戰(zhàn)。