如何實(shí)現(xiàn)最大化供電?

聚焦最高供電能力240瓦的USB供電參考設(shè)計方案

簡介

原作者

Anand Kannan，anand.kannan@infineon.com

Alexander Guba，alexander.guba@arrow.com

USB供電標(biāo)準(zhǔn)(PD)在不斷發(fā)展。最近的USB供電規(guī)范3.2支持高達(dá)240瓦(48V，5A)的拉電流和灌電流功率。本文將討論USB供電的主要趨勢，探索為何在2024年實(shí)施USB-C不再視為一種創(chuàng)新，而只是一種采用新設(shè)計保持競爭力的良好方案。最后，本文將概述支持240瓦的拉電流和灌電流方案，這種方案采用了英飛凌的初級側(cè)和次級側(cè)控制器、EZ-PD PMG1高壓微控制器、集成USB-C供電和英飛凌CoolGaN 功率晶體管。

目前，USB是一組公認(rèn)的消費(fèi)品和汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并快速擴(kuò)展到工業(yè)和電動車部門。1996年誕生的USB 1.0是第一個USB官方版本，支持最大1.5 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，最高2.5瓦供電，現(xiàn)在USB已經(jīng)發(fā)展到令人難以置信的水平，可通過單根USB-C線纜支持80 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸和240瓦供電。即使如此，最近的一次會展上，艾睿電子的展臺前還是有超過半數(shù)的參觀者了解到USB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)支持240瓦后，顯得非常驚訝。

USB Type-C接口

讓我們深入了解USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)接口的詳細(xì)情況。這種接口的最大優(yōu)勢是其對稱設(shè)計，因此可以不考慮插入方向——兩面插入都可以。這種接口支持高達(dá)240瓦供電，兼容HDMI、DisplayPort、雷電協(xié)議，還可通過備用模式(Alt Mode)支持其他協(xié)議。這些特點(diǎn)對工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

觀察圖1的公頭引腳，CC1和CC2腳——也稱為線纜配置引腳——用于控制方向并確定其作用：下行端口(DFP)用于拉電流，上行端口(UFP)用于灌電流，雙端口(DRP)同時用于拉電流和灌電流。CC引腳的另一個功能是在協(xié)商拉電流和灌電流之間的供電連接時，加快數(shù)據(jù)傳輸。

注意有4對差分對，標(biāo)記為RX/TX，用于USB 5Gbps或更高的傳輸速度，啟用USB 3.1時將采用這幾個引腳。以上引線在全雙工模式下運(yùn)行，而2對傳統(tǒng)引腳D+/D-位于中心，在半雙工模式下運(yùn)行。標(biāo)記為SBU(邊帶使用)的引腳用于備用模式(Alt Modes)，比如DisplayPort或Thunderbolt下的視頻輸出。VBUS引腳用于提供高達(dá)240瓦的供電。全部4個外部接地引腳(GND)用于接地。USB-C接口在高傳輸速率和高功率供電下，必須正確接地。

USB供電規(guī)范

深入探討USB供電標(biāo)準(zhǔn)的話，如前所述，初版的USB標(biāo)準(zhǔn)只允許VBUS提供2.5瓦的最大功率(5V，500mA)。到了USB 3.0，功率略有增加，達(dá)到4.5瓦(5V，900mA)，但依然滿足不了許多應(yīng)用情況。

圖2：USB供電3.2擴(kuò)展功率范圍

2014年推出USB Type-C及供電標(biāo)準(zhǔn)后，USB的供電能力顯著增加。默認(rèn)情況，通過USB Type-C供電，最大功率增加到15瓦(5V，3A)。完全實(shí)施USB供電規(guī)范后，單個USB電源可提供高達(dá)100瓦(20V，5A)的供電。

從USB供電3.1開始，規(guī)范允許的最大功率達(dá)到240瓦(48V，5A)。現(xiàn)在，超過20V的所有電壓分類到擴(kuò)展功率范圍(EPR)。這一規(guī)范還包括可調(diào)電壓供電(AVS)模式，允許15V以上的電壓按100mV步長進(jìn)行調(diào)壓。

市場發(fā)展趨勢

USB差不多是有30年歷史的舊標(biāo)準(zhǔn)，但就在最近，其傳輸速度和供電能力有了大幅提高。過去8年來，USB-C得到主流設(shè)備制造商的采用，如筆記本電腦和智能手機(jī)廠商。

現(xiàn)在，大部分筆記本電腦至少帶有1個USB-C端口。另外，許多其他移動設(shè)備也轉(zhuǎn)換到USB-C端口，市場上的USB-C電源適配器也明顯增加。同時，汽車制造商也在車輛上增加了更多的USB-C端口，為司機(jī)和乘客提供強(qiáng)勁的充電功能。按照這一趨勢，未來幾年，內(nèi)置USB-C和USB-C的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用將顯著增加。

預(yù)計2025年及以后，許多目前功率最高為240瓦的電子設(shè)備，將采用USB-C作為數(shù)據(jù)通信和充電的標(biāo)準(zhǔn)端口。

圖3：主要市場趨勢——許多電子設(shè)備將采用USB-C作為數(shù)據(jù)通信、和高達(dá)240瓦的充電端口

推廣USB應(yīng)用的重要因素有電池技術(shù)競賽、工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)型、以及USB日益得到全球范圍的接受。本地法規(guī)也產(chǎn)生重要影響：到2024年底，所有歐盟國家內(nèi)的許多設(shè)備將強(qiáng)制要求采用USB Type-C和USB供電。美國和其他國家也正在進(jìn)行類似的討論。

在這些趨勢下，采用USB供電不僅僅是與尖端技術(shù)同步，還是確保市場地位的重要競爭優(yōu)勢。但是，該標(biāo)準(zhǔn)之所以在近幾年得到快速應(yīng)用，其主要優(yōu)勢到底是什么?

重要的技術(shù)驅(qū)動因素

結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸和供電功能：推動USB-C快速增長的重要原因之一，是其能夠通過一個小接頭傳輸高速數(shù)據(jù)、視頻和供電。這個功能便于設(shè)計出更小、更薄的設(shè)備。

統(tǒng)一和重復(fù)使用：傳統(tǒng)的電源適配器提供的電源和電流固定，而且通常采用獨(dú)特的圓柱形接頭，這意味著它們只能用于對應(yīng)的設(shè)備。這類適配器通常不能兼容其他設(shè)備。

相反，USB-C電源適配器可廣泛兼容，其USB Type-C接頭可接入各類設(shè)備。另外，采用240瓦USB電源適配器，可以調(diào)整電壓和電流，只要功率不超過240瓦(48V，5A)。因此可以對功率在240瓦以下的USB設(shè)備充電，包括5V或15V設(shè)備，45瓦手機(jī)和160瓦筆記本電腦。即使是未來的設(shè)備，如電動工具、電動單車或消費(fèi)級3D打印機(jī)，也可能使用相同的適配器充電。只需要一個USB電源適配器就可以給許多設(shè)備充電，這為消費(fèi)者節(jié)省了費(fèi)用。

節(jié)省研發(fā)和制造成本：定制化電源，無論內(nèi)置還是采用定制接頭，通常都需要在設(shè)計、制造、測試方環(huán)節(jié)進(jìn)行額外投資，尤其是產(chǎn)品數(shù)量不是很大的時候。

采用USB-C電源適配器取代定制電源，加上專用的英飛凌USB-C供電灌電流控制器，能夠減少每瓦特成本。由于大眾市場上的充電器制造商競爭激烈，這自然推動了USB-C電源適配器的普及。

減少上市時間：定制方案除了成本更高(無論外置還是內(nèi)置設(shè)計)，通常研發(fā)時間和測試時間也更長。大多數(shù)應(yīng)用案例中，采用簡單的USB灌電流方案和認(rèn)證USB充電器可以實(shí)現(xiàn)快速上市。

減少對OEM廠商的依賴：當(dāng)供電或集成交流/直流電源模塊來自一家OEM廠商時，將產(chǎn)生另一個問題。這種情況，項(xiàng)目的未來高度依賴于第三方的生產(chǎn)計劃。但是，一旦實(shí)施USB灌電流功能，則消費(fèi)市場中功率相同的認(rèn)證USB適配器都可以使用，從而減少了對單一OEM供應(yīng)商的依賴。

減少電子垃圾：粗一看可能不明顯，但是充電器統(tǒng)一之后，可顯著改善環(huán)境保護(hù)。雖然單個充電器很小，但考慮到每年廢棄上百萬個充電器，對環(huán)境的影響非常大。

提高品牌認(rèn)知：設(shè)計公司緊跟潮流也增加了對潛在客戶的吸引力。試想一下，如果你的公司購買了昂貴的現(xiàn)代化測量設(shè)備，但居然使用CD光盤安裝驅(qū)動和軟件工具，會有什么感受。

USB Type-C接口：除了上述USB驅(qū)動因素的優(yōu)勢，其最重要特色是在2024年引入24針的 USB Type-C接口(圖1)。

240瓦USB供電灌電流參考設(shè)計

在行業(yè)的最新趨勢下，艾睿電子和英飛凌推出了新的240瓦供電3.1灌電流參考設(shè)計，它采用了英飛凌EZ-PD PMG1-S3高壓微控制器，旨在支持高功率的USB設(shè)備。這個新的參考設(shè)計支持高達(dá)48V@5A的供電對象(PDO)灌電流模式，代表了USB供電標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的最高水平。

本參考設(shè)計擴(kuò)展了英飛凌EZ-PD PMG1高壓微控制器系列的現(xiàn)有灌電流功率，從140瓦增加到240瓦，這對需要大功率快速充電的設(shè)備來說非常重要。

圖4：REF_ARIF240WS3灌電流參考設(shè)計電路板

上圖為240瓦灌電流參考設(shè)計電路板REF_ARIF240WS3，補(bǔ)充了最近發(fā)布的英飛凌USB PD 3.1拉電流評測電路板REF_XDPS2222_240W1。兩者組合后，工程師可第一時間推出完整的240瓦USB供電3.1灌電流-拉電流解決方案。

英飛凌240瓦USB供電拉電流參考設(shè)計

英飛凌REF_XDPS2222_240W1是與灌電流對應(yīng)的240瓦拉電流設(shè)計，它基于CoolGaN技術(shù)，是一種高效的小型化USB供電3.1參考設(shè)計，功率密度25瓦/立方英寸，采用XDP 數(shù)字電源XDPS2222 PFC + 混合反激(HFB)式復(fù)合集成電路(combo IC )(圖5)。

圖5：REF_XDPS2222_240W1 拉電流參考設(shè)計電路板

PFC和HFB之間的內(nèi)部交握和自適應(yīng)總線電壓設(shè)置，使得XDP XDPS2222控制器能完美適用于交流電寬幅輸入、及超寬幅輸出電壓的設(shè)備，如USB供電擴(kuò)展功率范圍(EPR)適配器和電源充電器。主要功能包括，HFB ZVS高-低側(cè)運(yùn)行，快速反應(yīng)HFB峰值電流控制，協(xié)調(diào)PFC和HFB運(yùn)行，輕載跳脈沖，自動PFC啟用/禁用控制，以及自調(diào)節(jié)PFC總線電壓水平。

上述參考設(shè)計旨在廣泛支持各類設(shè)備，如輕型電動交通工具(電動單車、電動摩托車和個人電動交通設(shè)備)、無人機(jī)和移動機(jī)器人、3D打印機(jī)、專業(yè)影音設(shè)備、電動工具、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、家庭娛樂設(shè)備等。

總的來說，功率在0至240瓦的任何設(shè)備都能通過USB-C取電，從這些先進(jìn)設(shè)計所提供的杰出USB供電功能中受益。

支援服務(wù)

兩款參考設(shè)計均提供定制服務(wù)。除技術(shù)支持外，艾睿電子還提供一系列技術(shù)支持服務(wù)，包括原理圖定制及PCB修改，幫助客戶最大程度發(fā)揮設(shè)計潛力，縮短產(chǎn)品上市時間。