【導讀】更大的顯示屏、更強的性能和更高的數據吞吐量是 5G zhinengshoujidefazhanqushi
，tatuidongleduigengdadianchironglianghekuaisuchongdiannenglidexuqiu。ruhetupochuantongdechongdianfangshishishejizhemianlindetiaozhan
，yinweichuantongchongdianfangshixiaolvdixia，erxiaofeizheduikuaisuchongdiandeqiwangyouyuelaiyuegao
，suoyizaimanzuzheyixuqiudegonglvshuipingxiajiukenenghuidaozhifareguodu。

在 USB Type-C® (USB-C) 電源傳輸 (PD) 3.0 中引入的可編程電源 (PPS) 功能有助於實現有效的解決方案，但所需的固件開發仍會拖延產品交付時間。

本文將介紹與 5G 手機快充相關的問題

，以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何幫助設計人員高效地滿足更大容量電池的更快充電的要求。然後，還將介紹並展示開發人員如何使用高度集成的ON SemiconductorUSB-C 控製器，這種控製器可在有限狀態機 (FSM) 中實現 USB-C PD 3.0 PPS。這樣就不需要開發固件，從而能夠加快下一代充電器的快充功能。

更強大的智能手機為快充適配器帶來新的挑戰

據市場分析人士稱，預計到 2023 年

，5G 智能手機將占智能手機總出貨量的 50% 以上。然而在使用這些手機獲得 5G 服務的過程中，用戶會發現
，現有的手機充電器和充電站已無法滿足這種新一代智能手機的快充需求。

正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G手(shou)機(ji)中(zhong)已(yi)經(jing)看(kan)到(dao)的(de)那(na)樣(yang)
，這(zhe)些(xie)手(shou)機(ji)技(ji)術(shu)先(xian)進(jin)，擁(yong)有(you)更(geng)大(da)的(de)屏(ping)幕(mu)以(yi)及(ji)更(geng)強(qiang)的(de)處(chu)理(li)能(neng)力(li)，數(shu)據(ju)吞(tun)吐(tu)量(liang)也(ye)遠(yuan)超(chao)早(zao)期(qi)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)。為(wei)了(le)配(pei)合(he)其(qi)更(geng)大(da)的(de)屏(ping)幕(mu)和(he)相(xiang)應(ying)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)耗(hao)

，現(xian)有(you)的(de) 5G 手機已經用了更大型的電池。例如，三星 S20 Ultra 5G 的屏幕尺寸達到 6.9 英寸
，采用了容量超上代機型 25% 的 5000 毫安小時 (mAh) 電池。

消費者在期待大容量電池具有更長電池續航時間的同時，也希望充電時間會變得更短，而不是延長 25%。對於希望滿足汽車、家庭和辦公室對充電站日益增長的需求的製造商來說，麵對電池自身的瓶頸，如何縮短高容量電池的充電時間已成為一個重大難題。

鋰離子 (Li-ion) 電池製造商對充電電流和電壓規定了嚴格的閾值。一塊額定容量為 1000 mAh 的傳統鋰離子電池，其額定充電速率一般為 0.7 C

，即充電電流為 700 mA。對於一塊完全耗盡的 5000mAh 電池，0.7 C 充電速率（或 3500 毫安充電電流）隻充到 50% 就需約 45 分鍾。

更先進的電池技術可以支持大於 1 C 的充電速率，但充電器和被充電設備都需要適應大幅提高的功率水平。例如

，以較高的 1.5 C 速率充電的 5,000 mAh 電池
，從 0% 充電到 50% 隻需約 22 分鍾，但 7.5 安培 (A) 的充電電流即使在高效率的充電係統中也會給元器件造成壓力，並產生過大的熱負載。事實上，隨著 USB-C 作為電源和其他功能的行業標準接口已被廣泛接受，兼容型充電器在 USB-C 電纜上所能提供的最大電流將會受限。USB-C 電纜的最大電流為 5 A，該電纜包含了為所連設備提供電纜信息的 emarker IC。（對於非 emarker 電纜，最大電流為 3 A）。

當然，移動設備製造商可以通過在電源輸入和電池充電電路之間插入一個充電泵來克服這種限製。例如，為了支持 7.5 A 充電係統，旅行適配器可以在 4 A 條件下提供 10 V 電壓，因此依靠典型的一分為二型充電泵在約 8 A 電流下可向充電電路輸出 5 V 電壓。這種方法可以使旅行適配器在保持兼容 USB-C 的電流水平的同時
，提高 USB-C 電壓 (VBUS)。

提高充電功率需要更有效的控製

能夠支持大於 5 V 的 VBUS 使這種高電壓
、低電流方法得以使用。USB PD 2.0 規範定義了一係列固定的功率傳輸對象 (PDO)
，這些對象指定了固定的電壓水平（5、9、15 和 20 V）和電流（3 或 5 A) 組合。

雖然 USB PD 2.0 固定 PDO 可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de充chong電dian功gong率lv，但dan將jiang充chong電dian電dian壓ya和he電dian流liu設she置zhi固gu定ding，過guo高gao或huo過guo低di都dou會hui導dao致zhi充chong電dian效xiao率lv低di下xia
，熱re負fu載zai無wu法fa接jie受shou並bing對dui元yuan器qi件jian造zao成cheng壓ya力li。實shi際ji上shang，當dang充chong電dian電dian路lu的de輸shu入ru電dian壓ya（由 USB-C VBUS 提供）略高於其輸出電壓（電池電壓）時shi，充chong電dian電dian路lu達da到dao最zui佳jia工gong作zuo效xiao率lv。然ran而er
，由you於yu電dian池chi電dian壓ya在zai正zheng常chang工gong作zuo時shi會hui不bu斷duan變bian化hua，因yin此ci如ru何he保bao持chi最zui佳jia充chong電dian效xiao率lv成cheng為wei一yi個ge不bu小xiao的de挑tiao戰zhan。當dang電dian池chi放fang電dian時shi，電dian池chi電dian壓ya與yu USB-C 充電電壓 (VBUS) 的差值會變大

，會降低充電效率。反之，當電池充滿後，充電電路就需要降低充電電流來保護電池。

如ru果guo不bu能neng直zhi接jie降jiang低di旅lv行xing適shi配pei器qi提ti供gong的de充chong電dian水shui平ping，功gong率lv耗hao散san會hui增zeng加jia，從cong而er效xiao率lv降jiang低di，造zao成cheng發fa熱re。因yin此ci
，最zui佳jia充chong電dian水shui平ping會hui不bu斷duan變bian化hua，往wang往wang是shi以yi增zeng量liang的de方fang式shi變bian化hua，這zhe就jiu要yao求qiu對dui充chong電dian電dian壓ya和he電dian流liu進jin行xing相xiang應ying的de增zeng量liang控kong製zhi，以yi達da到dao最zui高gao效xiao率lv。

USB-C PD 3.0 PPS 如何提高效率？

USB-C PD 3.0 PPS 功能旨在滿足在更高充電功率下對更高充電效率日益增長的需求
，允許被充電設備（電流灌入設備）請求充電器（電流拉出設備）以增強式 PDO 中公布的 mV 和 mA 步長值增大或減小充電電壓和電流。利用這種功能，灌入設備可以調整其拉出設備的電壓和電流以優化充電效率。

PPS 的引入極大地改變了充電過程的工作方式。過去，充電器同時控製和執行充電算法。采用 PPS 後，充電算法的控製權轉移到灌入設備，要求充電器按照灌入設備的指令執行算法。

通過 PPS
，智能手機或其他灌入設備與充電器進行通信以優化功率輸送，從而通過包括如下簡短交互在內的協商協議來達成雙方同意的 PD“合同”。

1. 充電器發現連接電纜是否具有 5 A 能力

2. 充電器廣播其在多達 7 個 PDO 中描述的充電器電壓和電流能力

3. 灌入設備請求其中一個被廣播的 PDO

4. 充電器接受被請求的 PDO

5. 充電器按照商定的電壓和電流水平輸送功率

諸如前麵提到的三星 5G 手shou機ji之zhi類lei的de先xian進jin移yi動dong設she備bei就jiu是shi利li用yong這zhe種zhong功gong能neng，使shi用yong兼jian容rong型xing充chong電dian器qi提ti供gong快kuai充chong。對dui於yu設she計ji快kuai充chong旅lv行xing適shi配pei器qi和he在zai其qi他ta產chan品pin中zhong構gou建jian充chong電dian站zhan的de製zhi造zao商shang來lai說shuo，要yao實shi現xian此ci類lei充chong電dian協xie議yi，通tong常chang需xu要yao開kai發fa能neng夠gou執zhi行xing協xie議yi並bing操cao作zuo相xiang關guan電dian源yuan設she備bei的de控kong製zhi器qi固gu件jian。然ran而er，對dui於yu像xiang USB-C PD PPS 這樣的成熟標準，FSM 解決方案提供了一個有效的替代方案，可以消除可能導致最終產品交付延遲的固件開發需求。ON Semiconductor 的FUSB3307自適應充電器控製器采用了包括 PPS 在內的 USB-C PD 3.0 FSM 實施
，從而加快了充電器開發，以滿足下一代智能手機和其他大容量電池移動設備對快充的要求。

用於符合 USB-C PD 3.0 標準的快速充電器的集成控製器

ON Semiconductor 的 FUSB3307 是一款集成電源控製器，無需外部處理器即可實現 USB-C PD 3.0 PPS。除了電纜檢測、負載柵極驅動器、多種保護功能以及恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調節外
，該器件還在硬件方麵集成了完整的 PD 3.0 設備策略管理器、策略引擎、協議和 PHY 層。

FUSB3307 設計用於支持 AC/DC 和 DC/DC 充電器，可提供適合 PD 電源的全套響應。因此，設計人員可以用 FUSB3307 和相對較少的其它設備
、元件實現一個兼容 USB-C PD 3.0 的電源。

當連接到灌入設備時，FUSB3307 會自動檢測灌入設備和連接線的容量，並按照 USB-C 規格廣播其容量。當灌入設備響應可選擇支持 PDO 時
，FUSB3307 將啟用 VBUS 和控製電源電路，以確保將請求的充電電壓和電流水平輸送至灌入設備。

由於 FUSB3307 集成了全套控製功能
，所以在 AC/DC 和 DC/DC 充電器設計中
，其基本工作原理在概念上保持一致。為了響應來自灌入設備的指令，充電器中的 FUSB3307 使用其 CATH 輸出引腳將反饋控製信號驅動至充電器功率級。在充電期間

，FUSB3307 使用 VFB 引腳監測充電電壓，使用 IS+/IS- 引腳監測流經檢測電阻器的充電電流。這些監測到的電平又被反饋至與電壓(VFB) 和電流 (IFB) 引腳相連的內部電壓和電流環路誤差電路。這些信號反過來控製 CATH 引腳，進行 CV 和 CC 控製。FUSB3307 的 14 引腳小型集成電路 (SOIC) 封裝中的其他引腳支持負載柵極驅動器、USB-C 連接器接口和保護功能。

FUSB3307 充電器控製器簡化了充電器設計

當然
，每種類型充電器的設計都會針對初級 CATH 輸出、VFB 輸入和其他引腳使用不同的配置。在 AC/DC 壁插式充電器或 AC/DC 適配器中，FUSB3307 將監測次級側的電壓和電流
，並將控製反饋驅動到初級側（圖 1）。

圖 1：在壁插式充電器或適配器的 AC/DC 設計中，FUSB3307 通過隔離光耦控製 PWM 控製器來響應來自灌入設備的不同充電電壓指令。（圖片來源：ON Semiconductor）

在這種充電設計中，FUSB3307 CATH 輸出引腳通常會連接次級側的光耦陰極

，以向初級側脈寬調製 (PWM) 控製器提供反饋控製信號（ON Semiconductor 的 NCP1568）。在次級側
，FUSB3307 的電壓和電流的檢測輸入將監控來自同步整流器控製器的輸出
，如 ON Semiconductor 的 NCP4308。

例如，在汽車應用中使用的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 直接控製 DC/DC 控製器。在這裏
，FUSB3307 CATH 反饋信號連接 DC/DC 控製器，如 ON Semiconductor 的NCV81599補償 (COMP) 引腳（圖 2）。

圖 2：在車載充電器的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 直接控製 DC/DC 控製器的電壓輸出，根據諸如 5G 手機或其他移動設備等灌入設備的指令提高或降低輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

ON Semiconductor 在其 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板中
，針對 FUSB3307 實現了這種特殊的 DC/DC 充電器設計。該板采用從單一直流電源操作的設計
，提供了一個完整的充電器，符合USB PD 3.0 與 PPS 要求
，在從標準的最低 3.3 V 到最高 21 V 的 VBUS 水平下提供最高 5 A 的電流。

使用該評估板，開發人員能夠探索 FUSB3307 與符合 USB PD 3.0 標準的設備以及傳統 USB PD 2.0 設備之間的互動。通過監控由評估板輸送到支持 USB-C PD 功能的設備上的 VBUS 電壓和電流，開發人員可以立即開始探索快充過程。類似設備如筆記本電腦或智能手機等。

對於 FUSB3307 與現成 USB PD 3.0 5G 手機交互的能力
，以及手機使用 USB PD 3.0 PPS協議來優化其充電電壓和電流來說，這種方法提供了特別的內涵。在對這種能力的一次演示中[1]，發現一台現成的三星 S20 Ultra 5G 手機向 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板發出一係列指令，以大步進值和小步進值修改充電電壓和電流（圖 3）。

圖 3：ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板展示了 FUSB3307 響應現成的 5G 手機指令以微調其充電電壓和電流的能力。（圖片來源：ON Semiconductor）

在本演示中，評估板和手機連接後
，5G 手機選擇基準 PDO（5.00 V，最大 5.00 A），如圖中前 10 秒所示。在這個階段，充電電壓(VBUS) 為 5 V，5G 手機的充電電流 (IBUS) 約 2 A。然後


，5G 手機請求更高的 PDO，聲明該充電器能夠在 4 A 條件下提供 8 V 電壓。FUSB3307 響應請求並立即更改：VBUS 按要求跳到 8 V，IBUS 表現為逐漸增大，因為 5G 手機提高了 IBUS 電流。

在 VBUS 急劇跳動之後，PPS 可能帶來的充電功率增量就變得很明顯了。5G 手機大約每 210 毫秒 (ms)就會請求 VBUS 增加 40 毫伏(mV)，從而逐漸將 VBUS 提升到更高的水平。當 IBUS 達到 4 A（圖中虛線綠線）時
，FUSB3307 使用標準 PPS 協議發出警報信息，通知 5G 手機已達到所請求電流極限。5G 手機繼續發出請求，以 40 mV 的增量進一步提高 VBUS
，最終達到 9.8 V。日常使用中，這種自適應充電器的充電能力可以實現快充所需的最大充電效率，而不會出現過熱或其他影響灌入設備的情況。

利用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，開發人員可立即探索 USB-C PD 在現有設備中的應用，並擴展該板的相關參考設計
，從而在符合 USB PD 3.0 規範的設備中實現快充定製。最重要的是，具體實施時不需要開發固件。通過 FUSB3307 器件，開發人員使用熟悉的電源技術來構建一種能夠充分發揮下一代 5G 手機和其他兼容設備的快充優勢的適配器。

結語：

雖然 5G 手(shou)機(ji)給(gei)用(yong)戶(hu)帶(dai)來(lai)了(le)豐(feng)富(fu)的(de)新(xin)特(te)性(xing)和(he)功(gong)能(neng)體(ti)驗(yan)，但(dan)支(zhi)持(chi)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)所(suo)需(xu)的(de)更(geng)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)池(chi)已(yi)成(cheng)為(wei)設(she)計(ji)者(zhe)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。需(xu)要(yao)特(te)別(bie)指(zhi)出(chu)的(de)是(shi)，他(ta)們(men)需(xu)要(yao)確(que)保(bao)旅(lv)行(xing)適(shi)配(pei)器(qi)和(he)充(chong)電(dian)站(zhan)提(ti)供(gong)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)，但(dan)又(you)不(bu)會(hui)使(shi)手(shou)機(ji)過(guo)熱(re)。

ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適應充電控製器具有完全符合 USB PD 3.0 PPS 的功能——無需固件開發，即可提供直接的設計解決方案。通過將該控製器與常見的電源設備、組件相結合，開發人員就可快速實現一種適配器
，以支持迅速擴大的、具有 USB PD 3.0 功能的 5G 手機和其他移動設備。

來源：Stephen Evanczuk ，DigiKey

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