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【干货】你想知道的PD移动电源知识都在这里!

时间:2018-07-11 阅读:
手把手教你0基础设计PD移动电源。

PD快充的发展

PD全称Power Delivery,中文意思为电源传输管理。86NEETC-电子工程专辑

2014年8月,USB-IF发布了极具革命性意义的TYPE-C 1.0接口标准和USB PD2.0标准,创新性地实现了在专用的通信线CC上,进行USB PD通信信号传输。86NEETC-电子工程专辑

2017年2月,USB-IF发布了USB PD3.0的重要更新,旨在一统快速充电技术规范的PPS(Programmable Power Supply),实现对高通QC4.0/3.0、联发科PE3.0/2.0、华为/OPPO等方案的收编。86NEETC-电子工程专辑

2017年10月,iPhone8、iPhoneX发布,宣布支持PD快充协议,PD普及步入快车道86NEETC-电子工程专辑

USB-IF推广PD的目的是统一快速充电协议,从市场的变化来看,也正在朝这个方向发展,高通QC4.0协议和MTK3.0协议都采用了PD3.0的PHY层设计。不过可以预见,从多协议并存到统一至少还需要2-3年时间,在此期间,多协议仍然是配件市场的发展主流,而在众多协议之中,PD协议将会是客户的硬性指标86NEETC-电子工程专辑

选择合适的架构

要设计一款好的PD移动电源,选择合适的架构非常重要。目前市面上主要有硬件SOC、软件SOC、MCU+DC-DC三种架构:86NEETC-电子工程专辑

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就移动电源架构而言,并没有“绝对的最优与最差”,更多在于“谁最能解决客户的痛点”以及“谁最能适应技术发展的需求”。86NEETC-电子工程专辑

 软件SOC架构86NEETC-电子工程专辑

软件SoC架构是把MCU和DC-DC集成在同一颗SoC芯片上,既满足灵活性的需求,也有集成度高、外围器件少的特点。但MCU和DC-DC两种技术的发展路线完全不同,工艺差异也很大,要在同一颗芯片上集成MCU和DC-DC,做到高可靠性难度非常大。目前,还没有特别成熟稳定的软件SOC PD芯片。因此,建议谨慎选用软件SOC的架构的PD移动电源方案。86NEETC-电子工程专辑

 硬件SOC架构86NEETC-电子工程专辑

硬件SOC架构把PD协议固化成硬件,具有成本低、开发速度快的特点。很多人认为在不追求功能多样化的情况下,硬件SOC是最好的选择,这往往是他们忽略了PD协议的发展过程以及PD协议的完整性。PD协议的完整性,在于提供了电能和数据、音视频传输的完整协议框架,同时又留有VDM,即自定义数据包功能,让企业可以进行私有协议处理,以及电池管理、固件升级、私有加密等,所以各家产品依然有协议的“私有”成份存在,未完全统一。因此,即便你的产品过了认证,也未必能兼容市面上的所有设备。也许有人会说,我的产品已经获得了USB-IF的认可,不兼容那是设备的问题,不是我产品的问题。然而,终端用户并不会考虑你的产品认证不认证,只会看你的产品能不能给自己的终端进行充电。所以从PD协议的发展过程以及完整性考虑,目前并不推荐选用硬件SOC设计PD移动电源产品。86NEETC-电子工程专辑

 MCU+DC-DC架构86NEETC-电子工程专辑

目前看来,PD产品的成熟周期至少需要2-3年时间,在此之前,PD协议的灵活性对于产品的兼容性尤为重要,而能够同时兼顾可靠性与兼容性的架构正是MCU+DC-DC架构。目前市面上的一线主流PD半导体厂商,如赛普拉斯、TI、芯海科技等,皆是采用MCU+DC-DC的架构。86NEETC-电子工程专辑
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典型的MCU+DC-DC架构的移动电源设计86NEETC-电子工程专辑

相对于其它的架构,MCU+DC-DC架构主要特点是:86NEETC-电子工程专辑

MCU性能强大、协议全、升级空间大86NEETC-电子工程专辑

MCU+DC-DC架构都会选用性能强大的MCU作为主体,以芯海科技的Smart PD MCU CSS32G020为例,选用ARM® Cortex™-M0内核,支持PD3.0 PPS等各种常用的快充协议。芯片集成多种协议PHY层,通讯内容可通过软件进行升级,可以适应市面上的多种手机的快速充电需求。86NEETC-电子工程专辑

资源丰富,灵活度高86NEETC-电子工程专辑

对于目前的PD移动电源一般都是A口与C口同时存在,协议分配一般是PD协议放C口,其他快充协议放A。但是对于两个口同时接设备的场景,不同的客户对这部分的功能定义不一样。86NEETC-电子工程专辑

从功能定义角度出发,对于PD移动电源核心功能是PD快充,无论什么情况下C口的输出功率都不应该受A口的影响,否则很多设备(如笔记本)因为C口降功率而无法充电。对于这部分的客户需求为:任意一个口接设备都有快充,A口和C口都接设备时,C口保持快充,A口只输出5V。86NEETC-电子工程专辑

从成本定义角度出发,两个口同时接设备保持PD输出成本太高,这部分客户需求为:任意一个口接设备都有快充,A口和C口都接设备时只能共同输出5V。86NEETC-电子工程专辑

进入快充时代,移动电源的定义再也不会像传统移动电源那样功能单一,不同的客户对于多口控制的逻辑需求会不一样,另外还有显示方式,报警方式,控制方式都会有不同的需求。86NEETC-电子工程专辑

而对于功能定制化,恰恰是MCU的传统强项,可以支援到客户的多样化需求。86NEETC-电子工程专辑

免拆机固件升级功能86NEETC-电子工程专辑

传统的移动电源产品,如果因为兼容性、协议升级、客户修改变更等问题,需要升级固件,只能回收-拆壳-重新烧写固件,成本非常高。PD3.0 V1.1定义了固件升级功能的规范,就是为了解决这个问题,是PD3.0对PD2.0的一个重大升级。由于PD协议具有发展速度快和允许私有化的特性,固件升级的需求会更多。86NEETC-电子工程专辑

芯海科技的CSS32G020很好的解决这个问题:通过TYPE-C接口升级固件。如果遇到需要升级固件的情况,无需拆机,把产品通过数据线连接到PC就可实现升级,这是硬件SOC架构所无法比拟的。86NEETC-电子工程专辑

快速开发86NEETC-电子工程专辑

开发成本高,一直是MCU+DC-DC方案的痛点。特别是PD协议动辄上百页的英文资料,对软件工程师是一个很大的挑战。为了解决客户的这个痛点,芯海科技专门推出了Smart PD图形化开发工具。用户无需了解PD规格的细节,也不用学习软件开发,只做简单的勾选配置,就可以完成PD移动电源的软件开发。可以设置的内容包括PDO、RDO、VDM、企业专用VID、PID、TID等信息,以及移动电源的各项参数,譬如:过流值、过压值、温度保护参数、电池内阻参数、显示方式等。86NEETC-电子工程专辑

结语:

从PD协议的发展过程以及完整性考虑,最适合PD移动电源设计的架构是MCU+DC-DC架构。在PD协议完全统一快充之前,支持固件升级、配合图形化开发工具,是开发PD移动电源的最佳选择。86NEETC-电子工程专辑

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