使用 USB-C 充电控制器,无需固件即可迅速实现快速充电

使用 USB-C 充电控制器,无需固件即可迅速实现快速充电
使用 USB-C 充电控制器,无需固件即可迅速实现快速充电

更大的显示屏、更强的性能和更高的数据吞吐量是 5G 智能手机的发展趋势,它推动了对更大电池容量和快速充电能力的需求。如何突破传统的充电方式是设计者面临的挑战,因为传统充电方式效率低下,而消费者对快速充电的期望又越来越高,所以在满足这一需求的功率水平下就可能会导致发热过度。

在 USB Type-C® (USB-C) 电源传输 (PD) 3.0 中引入的可编程电源 (PPS) 功能有助于实现有效的解决方案,但所需的固件开发仍会拖延产品交付时间。

本文将介绍与 5G 手机快充相关的问题,以及 USB-C PD 3.0 PPS 如何帮助设计人员高效地满足更大容量电池的更快充电的要求。然后,还将介绍并展示开发人员如何使用高度集成的 ON Semiconductor USB-C 控制器,这种控制器可在有限状态机 (FSM) 中实现 USB-C PD 3.0 PPS。这样就不需要开发固件,从而能够加快下一代充电器的快充功能。

更强大的智能手机为快充适配器带来新的挑战

据市场分析人士称,预计到 2023 年,5G 智能手机将占智能手机总出货量的 50% 以上。然而在使用这些手机获得 5G 服务的过程中,用户会发现,现有的手机充电器和充电站已无法满足这种新一代智能手机的快充需求。

正如在三星 S20 Ultra 5G 等 5G 手机中已经看到的那样,这些手机技术先进,拥有更大的屏幕以及更强的处理能力,数据吞吐量也远超早期智能手机。为了配合其更大的屏幕和相应更高的功耗,现有的5G手机已经用了更大型的电池。例如,三星 S20 Ultra 5G 的屏幕尺寸达到 6.9 英寸,采用了容量超上代机型25%的5000毫安小时 (mAh) 电池。

消费者在期待大容量电池具有更长电池续航时间的同时,也希望充电时间会变得更短,而不是延长 25%。对于希望满足汽车、家庭和办公室对充电站日益增长的需求的制造商来说,面对电池自身的瓶颈,如何缩短高容量电池的充电时间已成为一个重大难题。

锂离子 (Li-ion) 电池制造商对充电电流和电压规定了严格的阈值。一块额定容量为 1000 mAh 的传统锂离子电池,其额定充电速率一般为 0.7 C,即充电电流为700 mA。对于一块完全耗尽的5000mAh电池,0.7C充电速率(或 3500 毫安充电电流)只充到50%就需约45 分钟。

更先进的电池技术可以支持大于 1 C 的充电速率,但充电器和被充电设备都需要适应大幅提高的功率水平。例如,以较高的 1.5 C 速率充电的 5,000 mAh 电池,从 0% 充电到 50% 只需约 22 分钟,但 7.5 安培 (A) 的充电电流即使在高效率的充电系统中也会给元器件造成压力,并产生过大的热负载。事实上,随着 USB-C 作为电源和其他功能的行业标准接口已被广泛接受,兼容型充电器在 USB-C 电缆上所能提供的最大电流将会受限。USB-C 电缆的最大电流为 5 A,该电缆包含了为所连设备提供电缆信息的 emarker IC。(对于非 emarker 电缆,最大电流为 3 A)。

当然,移动设备制造商可以通过在电源输入和电池充电电路之间插入一个充电泵来克服这种限制。例如,为了支持 7.5 A 充电系统,旅行适配器可以在 4 A 条件下提供 10 V 电压,因此依靠典型的一分为二型充电泵在约 8 A 电流下可向充电电路输出 5 V 电压。这种方法可以使旅行适配器在保持兼容 USB-C 的电流水平的同时,提高 USB-C 电压 (VBUS)。

提高充电功率需要更有效的控制

能够支持大于5V的VBUS使这种高电压、低电流方法得以使用。USB PD 2.0 规范定义了一系列固定的功率传输对象 (PDO),这些对象指定了固定的电压水平(5、9、15 和 20 V)和电流(3 或 5 A) 组合。虽然 USB PD 2.0 固定 PDO 可以实现更高的充电功率,但将充电电压和电流设置固定,过高或过低都会导致充电效率低下,热负载无法接受并对元器件造成压力。

实际上,当充电电路的输入电压(由 USB-C VBUS 提供)略高于其输出电压(电池电压)时,充电电路达到最佳工作效率。然而,由于电池电压在正常工作时会不断变化,因此如何保持最佳充电效率成为一个不小的挑战。当电池放电时,电池电压与 USB-C 充电电压 (VBUS) 的差值会变大,会降低充电效率。反之,当电池充满后,充电电路就需要降低充电电流来保护电池。

如果不能直接降低旅行适配器提供的充电水平,功率耗散会增加,从而效率降低,造成发热。因此,最佳充电水平会不断变化,往往是以增量的方式变化,这就要求对充电电压和电流进行相应的增量控制,以达到最高效率。

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