USB供电标准飞跃,高达240瓦

今年,通用串行总线(USB)标准组织USB-IF公开了USB-C(USBType-C)界面的新规范USBType-C2.1,2019年8月USBType-C2.0规范后,USB标准组织对USB-C界面的机械电子特性进行了重大修订,USB界面的物理特性进行了修改,是因为USB-IF同期公布了USB供电协议(USB-C界面的机械电子特性)当然,USB-C接口的规范发生了变化,支持240瓦供电只是一个要素,对USB4标准的支持和兼容雷电3也是非常重要的驱动力。



USB供电发展史。
从通信链接中取电的想法已经很久了。由于使用方便,连接简单,而且真正支持热插拔,自1996年USB标准发布以来,USB逐渐取代其他串行接口,成为IT设备中最常见的接口。USB包括电源和地线接口,可以为连接到上面的便携设备提供电力。在USB2.0时代,USB接口可以为外部设备提供2.5瓦的电力(5V@500mA)。之后,USB标准组织旗下的电池充电作业组开始为USB接口(包括USB标准接口和miniUSB和microUSB接口)制定充电标准,2007年发布USB充电标准1.0(USB标准1.0)
2010年12月发布的USBC1.2规范规定,USB设备支持快速充电,最高充电功率达7.5瓦(5V@1500mA)。
随着U盘设备越来越多,从U盘取电或用U盘接口充电的需求越来越多,但上述标准最多支持7.5瓦。只能满足手机等超便携设备的充电需求,而且由于功率有限,对于智能手机等大型电池设备来说,充电需要几个小时。为了满足移动设备的供电和充电需求,USBIF建立了USB供电工作组,希望通过一个接口满足所有移动设备的供电需求。2012年7月USBPD1.0规格公布,最高可供电100瓦(20V@5A),支持设备在供电(Source)和供电(Sink)之间的作用交换,各种设备可以通过USB线满足供电需求。该标准支持现有USB核心标准(USB3.0/2.0和充电标准USBC1.2/1.1/1.0)
在3.1标准之前,USBPD有2次大版本升级,分别是2014年发售的USBPD2.0,加入支持USB-C接口的2015年发售的USBPD3.0,加入可编程电源供应,与各快速充电协议兼容,最新支持QC4+快速充电
USBPD3/2版本的区别在于是否支持可编程电源供应。
从5V1A到超百瓦快速充电。
智能手机的快速充电需求决定了USB充电功率的提高。其电池容量大,电力消耗快,成为很多人暂时离不开的设备,充电慢成为智能手机的一大痛点。例如,苹果公司在10年以上的时间里,给手机标准的是5V1A充电功率5瓦的充电器,充电电池需要几个小时。
2013年,高吞吐量公司推进QuickCharge1.0(简称QC1.0)标准,提出快速充电概念,通过提高输入电流,高吞吐量芯片支持最高10瓦(5V@2000mA)充电功率,突破USBC1.2协议1.5A充电电流上限。
由于当时microUSB接口只能承受最高2A电流,2015年推出QC2.0标准时,高吞吐量加入高压方案,通过提高充电压,提高充电功率,QC2.0标准的最大功率达到24瓦。
OPPO于2014年发表了低压大电流充电方案,通过改变MicroUSB数据线中的触电、内部线路,从头改造电路,制专用OPPO的特制数据线,达到快速充电的效果,初代VOOC快速充电支持25瓦(5V@5A)的充电功率。
以高通QC2.0为首的高压快速充电和以OPPOVOOC为首的低压大电流快速充电两种方案大大提高了充电速度,但低压大电流模式限于microUSB接口问题,没有迅速普及。包括联发科Pumpexpress(PE)、迷人的mcharge和PumpexpressPlus(PEP)、华为初期FastChargeProtocol(FSP)等快速充电技术是本时期出现的高压快速充电方案。
快速充电时代真正开始于Type-C数据线的登场,USB-C数据线突破制,最大支持5A电流,满足USBPD规范的100W供电需求。随着安卓手机开始全面采用USB-C接口,各手机制造商开始启用低压大电流快速充电方案,华为与PD和高吞吐量QC协商的SuperCharge(SCP)、联发科Pumpexpress3.0、魅族SupermCharge和mCharge4.0等快速充电方案。高吞吐量也发现了低压方案的优势,在QC4.0快速充电协议中加入了低压大电流,支持高压快速充电方案和低压大电 流方案,主流手机快速充电功率飞跃到50瓦以上。
但是,中国手机制造商对充电功率的追求似乎没有结束。USBPD标准最高支持100瓦。但是,到2020年,许多手机制造商已经推出了超过100瓦功率的手机快速充电计划。例如,iQOO发布了FlashCharge120瓦的超闪存充电技术、OPPOsuperVOOC125瓦的超闪存充电技术和名称的120瓦的有线秒充电技术。
从技术上看,OPPO超级闪光充电技术和iQOO超级闪光充电技术都使用电荷泵方案,125瓦超级闪光充电技术采用转换效率98%的并联三电荷泵方案,其原理是充电器输出的20V6.25A功率通过三个并联的电荷泵降压转换为10V12.5A进入电池,每个电荷泵只需转换20V2.1A约42瓦的功率,有效避免大电流引起的电荷泵过载、过热的情况iQOO120WFlasharge超级闪光充电技术,利用转换20V2
实现240瓦供电在USB硬件设计时有什么考虑?
关于百瓦以上的充电方案,各厂商在手机方面采取了大量的保护措施,但从充电器到手机方面的电缆和插头无法保护,无论是6A(20V)还是6.25A(20V),都超过了USBPD规定的5A电流标称值。
USBPD3.1中,电流仍为5A,该标准通过提高电压实现更大的电力供电,旧标准最高支持20V电压,新标准扩大了28V(100~140瓦)、36V(140瓦至180瓦)和48V(180瓦至240瓦)。
为了支持100瓦以上的电力传输,USB标准组织发布了能够支持高电压的专用USB线,在电缆上显示EPR(ExtendedPowerRange、高功率电缆),未显示EPR的传统USB线被称为SPR(StandardPowerRange、标准功率电缆)。EPR标准USB线最低应支持53.65V电压,高功率电缆连接的电源脚的过滤电容器耐压值不得低于63V。
USB设备在高功率应用中热插拔时,可能会产生电弧,如果不保护电弧放电,设备就容易损坏。供电电压越高,电弧的危害性越大,供电电压越高,所需的稳定电容量越大,USBType-C2.1规范详细说明了如何应对电弧的危害。
影响芯片和设备行业。
超百瓦USB设备的供电设计还有很多考虑,芯片公司和设备制造商需要逐渐熟悉。自USB-C接口和USB-PD规范发布以来,便携式设备充电接口的统一过程加快了很多,但百瓦功率不能复盖高性能笔记本电脑(功率可达数百瓦)等设备,新版标准发布后,笔记电脑电脑市场基本实现了全面复盖,手机电脑但是,新的USB-PD支持电压到48V,超过了安全电压,给设备制造商在设计高功率设备时带来了更多挑战。
对于芯片公司来说,高功率的应用需要更多的防护措施,能够以最低的成本实现安全设计的电源管理芯片制造商,有机会吃到更多的市场红利。USB的高功率供电需要更高能效的功率设备,这无疑会给当前热氮化镓(GaN)市场增加火灾。电源芯片行业的专家印宁华说,不仅仅是氮化镓,MOS设备和碳化硅设备也有利。随着快速充电率的升级,PD协议分析也是一个很好的市场,兼容充电器需要PD协议分析芯片来支持工厂设备。
据专家介绍,随着USB-PD功率的提高,更多的家电设备也支持USB接口的供电。目前,除了空调、洗衣机等大功率设备外,客厅和卧室的大多数设备都支持USB直接供电,将来家庭供电布线时,交流电和低压USB直接供电并列,更加安全方便。如果USB高功率供电技术成熟,未来在中低功率设备供电上统一天下将不是奢望。

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