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设计基于可编程解决方案的可互用电池充电器

时间:2019-10-14 作者:Anshul Gulati 阅读:
许多公司制定了不同的标准以改善充电时间。不幸的是,他们这样做并没有考虑不同标准间的兼容性,现在市场上充斥着各种充电标准。鉴于各种充电标准和智能手机种类繁多,OEM厂商如果能设计基于可编程解决方案的充电器将十分有利,这种可编程解决方案将能够迅速适应不同的标准及其相关变化,而无需进行重大的重新设计。

传统上,所有的手机充电器都遵循USB电池充电规范1.2版本的标准,该规范允许手机通过标准micro-B连接器以5V电压充电。后来,许多公司开始制定不同的标准以改善充电时间。不幸的是,他们这样做并没有考虑不同标准间的兼容性。现在市场上充斥着各种充电标准,包括USB Power Delivery 3.0、Quick Charge 4.0和自适应快速充电等等,每一种标准都按照自己的进度发展,并具有自己独特的功能。例如,Power Delivery 3.0提供可编程电源(PPS),这个功能在Power Delivery 2.0还不具备。同样,高通Quick Charger 4.0已取代了Quick Charge 2.0和3.0。PuzEETC-电子工程专辑

由于智能手机全天使用量的增加而需要更频繁地充电,除了手机自带的充电器以外,人们一般都拥有至少一个额外的充电器。我们有必要了解手机与额外充电器之间兼容性的重要性;例如,用iPhone充电器给三星手机充电,与使用其自带的三星自适应快速充电(AFC)充电器相比,充电时间更长,反之亦然。PuzEETC-电子工程专辑

鉴于各种充电标准和智能手机种类繁多,OEM厂商如果能设计基于可编程解决方案的充电器将十分有利,这种可编程解决方案将能够迅速适应不同的标准及其相关变化,而无需进行重大的重新设计。PuzEETC-电子工程专辑

可互用性的挑战

各种充电标准和专有解决方案已经给消费者带来了很多麻烦。一台设备的充电器可能无法用于另一台设备,这导致人们无奈地为每台设备购买互不兼容的充电器。下面总结了目前采用的几大充电标准。PuzEETC-电子工程专辑

USB电池充电1.2版本

USB BC 1.2标准定义了三种主要类型的充电端口:PuzEETC-电子工程专辑

标准下行端口(SDP):这是大多数台式机和笔记本电脑中广泛使用的传统USB 2.0数据端口。SDP可在端口电压5V下提供500 mA的最大电流。PuzEETC-电子工程专辑

充电下行端口(CDP):这是符合主机或集线器USB 2.0定义的下行端口。除了支持数据通信外,CDP还可以在端口电压5V下提供高达1.5 A的电流。PuzEETC-电子工程专辑

专用充电端口(DCP):这是一种下行端口,通过USB连接器在5V电压下提供高达1.5 A的电流,但缺乏扩展为USB 2.0数据端口的能力。它通过D+和D-信号之间的短接来识别。PuzEETC-电子工程专辑

上述三种充电端口,其功率均限制为7.5W,这限制了智能手机的充电速度。为克服这个问题,高通、三星和苹果等公司各自发明了其专有充电协议,以缩短其各自智能手机的充电时间。PuzEETC-电子工程专辑

快充2.0、3.0和4.0

快充(Quick Charge,QC)标准由高通公司开发。QC 2.0仅支持5V、9V、12V和20V四档固定电压,QC 3.0允许输出电压在3.3V至20V之间以200mV为步长进行调节。设备可通过设置D+和D-端子来请求所需电压。PuzEETC-电子工程专辑

表1显示了QC 2.0 / 3.0的不同电压模式。PuzEETC-电子工程专辑

PuzEETC-电子工程专辑
PuzEETC-电子工程专辑
表1:QC 2.0/3.0电压模式PuzEETC-电子工程专辑

在QC 3.0连续操作模式中,递增和递减命令随D+和D-上的一系列中的一个或多个脉冲信号发送,以便每个脉冲以200mV步长向上或向下调节总线电压(VBUS)。这些递增或递减请求分别作为D+线上的上升沿脉冲或D-线上的下降沿脉冲信号发送。PuzEETC-电子工程专辑

QC 4.0是高通公司开发的最新标准。其定义符合USB Type-C和USB PD 3.0规范。它还实现了可编程电源(PPS),并支持以20mV步长在3.3V至21V范围内调节VBUS。其调节命令通CC线发送,这是USB Type-C标准中引入的新信号,而不是QC 2.0和3.0中使用的D+和D-线。PuzEETC-电子工程专辑

Apple Charging

Apple Charging是苹果公司专为iPhone和iPad开发的充电标准,它提供三组端子:Brick ID 1 A、Brick ID 2.1 A和Brick ID 2.4 A。VBUS在5V电压下是静态的,其电流变化基于充电器的端子设置。PuzEETC-电子工程专辑

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表2:Apple Brick ID端子PuzEETC-电子工程专辑

自适应快速充电(AFC)

自适应快速充电是三星的专有充电标准,它在与设备进行初始连接时遵循USB BC 1.2 DCP检测机制。AFC接口构成的物理层(PHY)促成D-线上的双向通信。该协议为每个配置文件分配一个字节,以传递充电器支持的电压和电流值。例如,如果充电器支持三个配置文件(例如5V、9V和12V),就使用三个字节将电压和电流值传递给设备。然后设备将向充电器连续三次请求新的电压/电流。PuzEETC-电子工程专辑

USB作为一种通用连接器,使人们的生活变得轻松一些了。然而,由于充电技术的不同,USB仍然被人为分割。而通过设计具互用性的电池充电器,USB可以回归其本源。而且,由于采用单一硬件架构满足了各种充电标准的要求,这种充电器为OEM提供了更大的灵活性。PuzEETC-电子工程专辑

进入USB Type-C和USB Power Delivery时代

为了克服各种不兼容充电标准带来的挑战,大多数制造商现在均采用支持新USB电力传输协议(USB Power Delivery)的USB Type-C连接器,意在统一充电标准。USB Type-C是一种可逆连接器,从两面都可插入(即支持正反插)。它解决了USB Type-A和USB Type-B连接器总是插不准这个最令人烦恼的问题。它是一款尺寸仅为8.4毫米(0.33英寸)x2.6毫米(0.10英寸)的纤薄连接器,完美适用于超薄笔记本电脑、平板电脑和手机。PuzEETC-电子工程专辑

当所有便携式设备和附件的电源连接器统一标准化,定为USB Type-C后,人们只需携带最少的充电器和电缆即可实现充电。一个带USB Type-C线缆的充电器可以为手机、笔记本电脑、平板电脑和其它便携式设备充电,一劳永逸地避免了各种混淆与不兼容性。PuzEETC-电子工程专辑

USB电力传输协议(USB Power Delivery)

USB电力传输协议(PD)是在USB Type-C接口上进行电源传输的新USB标准之一。它可提供高达100瓦的功率,VBUS总线电压/电流高达20V/5A。USB PD 2.0可支持从5V至20V范围内的固定电压波动。而下一代PD 3.0除支持PD 2.0的功能外还支持在3.3 V至21 V之间以20 mV为步长的可编程电压。PuzEETC-电子工程专辑

USB PD采用两条通信信道(CC)线,CC1和CC2,用于协商充电器(电力提供者)和设备(电力消费者)之间的电力传输协议。电力提供者将Source Capabilities消息传递给电力消费者。作为响应,消费者基于其功率要求返回Request消息。提供者在接受请求后达成明确的协议,并设置所需的电压;这个过程被称为“电力传输协商”。协商过程使用USB-PD规范中所定义的PD消息。PuzEETC-电子工程专辑

为了阐明不同充电标准之间的不兼容性以及对通用标准的需求,我们使用几款流行的智能手机进行了一系列测试,包括Google Pixel 2 XL、Apple iPhone 7和三星Galaxy S8手机及其相关的快速充电器。PuzEETC-电子工程专辑

下列各图分别显示了三部手机的电池电量百分比与充电时间。PuzEETC-电子工程专辑

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图1:Google Pixel 2 XL充电时间PuzEETC-电子工程专辑

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图2:iPhone电池充电时间PuzEETC-电子工程专辑

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图3:三星Galaxy S8充电时间
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测试结果揭示出一些有趣的事实和预期的结果:PuzEETC-电子工程专辑

· 这些充电器不支持所有充电标准。PuzEETC-电子工程专辑
· 要减少特定手机的充电时间,需要一个支持兼容各充电标准的充电器。PuzEETC-电子工程专辑

尽管将所有手机和充电器标准化为通用USB PD标准是未来必然的趋势,但大量不兼容的设备仍将存续好几年。因此,可编程充电解决方案应运而生,它可以用来处理新旧标准共存的问题。借助可编程解决方案,开发人员无需修改硬件即可实施不同的充电标准,同时不会影响消费者的电池充电时间。必要时,其可编程性还有助于实现现场解决方案更新,以跟上所有充电标准的变化步伐。PuzEETC-电子工程专辑

电池充电器系统最重要的元器件包括:PuzEETC-电子工程专辑

1. 电源转换器PuzEETC-电子工程专辑
2. USB PD控制器PuzEETC-电子工程专辑
3. USB Type-C插座PuzEETC-电子工程专辑

设计通用手机充电器

如果充电器中的USB PD控制器是可编程的,则手机充电器亦可编程。这种USB PD控制器包含处理器和用于执行和存储固件的闪存,以及通过固件配置的硬件组件,如定时器、ADC、GPIO和通信模块。图4显示了通用的可编程充电器实现框图。PuzEETC-电子工程专辑
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图4:可编程电池充电器的实现框图PuzEETC-电子工程专辑

Cypress的EZ-PD CCG3PA控制器即为一款可编程USB充电解决方案。CCG3PA是Cypress的第三代USB供电解决方案,它是一款高度集成的控制器,适用于所有USB-C充电器和移动电源应用。CCG3PA集成了32位Arm Cortex-M0处理器、64KB闪存、8KB RAM、内置USB Type-C收发器、2个ADC、2个可编程通信接口、4个定时器模块、用于(VBUS) 电压调节的集成反馈控制电路和其它硬件模块,如图5所示。PuzEETC-电子工程专辑

采用可编程CCG3PA控制器设计的充电器可以轻松升级/定制以支持最新的USB PD 3.0和一系列传统充电标准,从而缩短充电器制造商的产品上市时间并避免对消费者造成的困惑。 采用这种充电器,用户只需要一个充电器即可在尽可能短的时间内为他/她的任何移动设备充电。与此同时,OEM也将得益于采用单一硬件架构即可满足各种充电标准带来的灵活性。这将简化设计、减少库存、降低成本,同时提升盈利能力。PuzEETC-电子工程专辑

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图5:CCG3PA电源适配器结构框图PuzEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅PuzEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengPuzEETC-电子工程专辑

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