移动设备的出现，除了改变了半导体产业链和人们的生活方式，还催动了一个新的产业诞生，那就是充电宝。但是随着电池越做越大，耗电越来越快，设备电池更是做成不可拆卸之后，消费者产生了对快充的需求，包括高通、联发科和USB联盟都在推动快充协议。在进入了USB Type C时代，之前进展缓慢的USB PD，似乎要迎来大爆发。

 

日前，TI联合世平集团再深圳举办了《2017 TI & WPI 移动电源产业高峰论坛》，与行业参与者共同商讨USB PD快充的未来。

有关USB TYPE-C和USB PD

 

在发展多年以后，通用串行总线终于在最新一代的标准上迎来了大变革。除了正反插以外，在传输速率和充电方面有了很大的突破，尤其是在USB Type C正式面世以后。

 

1、USB Type C总览

 

首先我们要明确，USB Type-C 是USB联盟的最新标准USB 3.1标准的一部分，而不是一个新的标准。它支持可逆插头方向和电缆方向，同时采用小型化连接器。由于新配置允许电源动态管理 0.5A 至 3.0A 的电流，供电功能经过扩展已高达 15W。

 

数据传输速率经过提速已达到 10Gbps。此外，USB3.1 电力输送支持还可实现高达 100W 的可协商功率。交替模式、显示端口和向后兼容性等其他功能将 USB Type-C 提升至新的水平。

单TYPE-C口结构示意图

 

而从USB联盟放出来的文档，我们可以看出，USB Type-C具有以下特性：

 

• Type-C接口插座端的尺寸与原来的Micro USB规格一样小，约为3mm×2.5mm；
• 可承受1万次反复插拔；
• 支持从正反两面均可插入的“正反插”功能（类似苹果Lightning接口）；
• 纤薄设计；
• 最大数据传输速度达到10Gbit/秒，也是USB 3.1的标准；
• 配备Type-C连接器的标准规格连接线可通过3A电流，同时还支持超出现有USB供电能力的“USB PD”，可以提供最大100W 的电力。

 

新的USB Type C也有了不三种不同的工作方式：

 

• DRP,(主HOST/DEVICE可自由转换，类似电脑或MACBOOK)

• DFP:下行端，主HOST端（上拉电阻）

• 上行端，DEVICE端（下拉电阻）

 

从上面的介绍我们可以看出，在未来，USB 3.1Type-C可能带来一个全新的USB时代，甚至会完全取代传统USB接口，Type-C接口最强大之处在于使用方面解决了正反插拔问题，功能方面整合了电源、USB、DP、HDMI接口与VGA接口于一体，实现了技术上的大突破。

一口多用的USB Type C

 

USB Type C有了那么多方面的提高，但按照深圳乐得瑞科技总经理刘小灵先生的说法，对电源方面和视频传输方面的提高，可能是新接口的最大价值。

深圳乐得瑞科技总经理刘小灵

 

他进一步指出，从1996年到现在，USB的数据传输速率从1.5M/s提升到现在的10G/S，提高了6667倍；而电力输送的改变则从2.5W提升到现在的100W，只有40倍。其实，从现状看来，有线限数据传输需求越来越少，但电能和视频传输的需求增加。USB Type C的出现或将有可能一统现有的数据、音频、视频及电源接口。

 

USB数据的演变

 

而谈到电力传送，我们就需要了解一下这个所谓的USB PD（Power Delivery），也就是USB 电力输送。这是采用新 USB-C 标准和电缆的单线协议。

 

2、USB PD带来的改变

 

根据规定，USB Type-C 端口可支持拉电流或灌电流，也可两者兼顾。PD 协商允许器件创建契约，在当前的电池条件下为每个应用提供最佳的功率级别。

 

该协议将 USB 扩展至可提供高达 100W（20V，5A）的功率。随着 PD 协议用于协商数据和视频处理功能以及方向，数据角色功能也得到了提高。USB-C 端口可作为 USB 器件进行上行端口 (UFP) 传输，也可作为 USB 主机进行下行端口 (DFP) 传输，还可作为具有 UFP 和 DFP 功能的双角色数据端口 (DRD)。交替模式支持 DisplayPort 等来宾协议。

USB Type-C 和 USB PD 生态系统

 

USB PD也具备以下优点：

 

• 灵活的单线协议，实现增强的供电、数据和视频功能
• 动态功率协商：可实现最长的电池寿命和最佳性能
• 高达 100W 的功率：可通过 USB 高效且快速地充电
• 交替模式支持：为我们的互联世界提供了新的范例

 

刘小灵也表示，USB PD将全面同意现在的电源、音频、视频和数据接口。

 

在新标准的推动下，产业链上下游也都在投入到这种快充产品的开发中去。芯片商及其合作伙伴也踊跃其中。

 

WPI联手德州仪器推新时代快充方案

 

根据大联大旗下的世平集团（WPI）表示，由于现在移动设备的发展，还有二合一 PC的流行，USB Type C和USB PD的逐渐普及，市场对相关的快充方案有了很高的需求。他们将会联手TI （德州仪器）推出面向市场发展需求的方案。

世平集团的潘秋雄经理

 

首先我们需要了解一下TI有哪些相关的方案：

 

• BQ2587x——7A 低压直充方案

 

BQ2587x的代表是BQ25871 和 BQ25872。其集成的 10 位 ADC 可以测量输入电压和电流、电池电压和电流，以及电池温度和输入连接器温度。这使得用户应用能够连续监视电力输入和电池充电参数，以确保电池充电的安全性。

 

当电池进入恒定电流 (CC) 和恒定电压 (CV) 模式时，可以通过 I2C 寄存器灵活修改 VBUS、VOUT 和电池的 OVP 和 OCP 阈值。

 

而BQ25872 增加支持输入OVP保护的功能。

BQ2587X的应用框图

 

而这个方案也具备以下特点：适配器输入电压范围是3V 至 14V，最高支持 14V 适配器电压；高度集成的 7A 电池开关，集成MOSFET 和电流感应功能，低 RDS(on) (13mΩ) MOSFET，适用在大电流条件下运行；集成有用于系统监视的高精度模数转换器 (ADC)，VBUS、VBAT、VOUT、VDROP 电压，输入和电池电流，电池和 VBUS 连接器温度；线性稳压 (LDO) 模式操作，四个线性调节环路：IBUS、IBAT、VBAT 和 VOUT，可编程线性稳压阈值；可编程安全保护，VBUS、VOUT 和 VBAT 过压保护 (OVP)，IBUS 和 IBAT 过流保护 (OCP)，IBUS 反向电流保护 (RCP)，VDROP (VBUS-VOUT) OVP，VBUS 连接器和电池热保护，热关断；提供警报的中断状态输出。

 

（2）用于1-2 节锂电池的 Impedance Track 电量监测计——BQ28Z610

 

BQ28z610 器件是一款高度集成且精密的 1-2 节串联电池电量监测计和保护解决方案，具备自主充电器控制和电量均衡功能。

 

提供了一套基于电池组的全集成解决方案，其具有闪存可编程的定制精简指令集 CPU (RISC)、安全保护以及认证功能，适用于 1-2 节锂离子和锂聚合物电池组。

 

BQ28z610 电量监测计通过 I2C 兼容接口进行通信，并将超低功耗的高速德州仪器 (TI) bqBMP 处理器、高精度模拟测量功能、集成闪存、大量的外设和通信端口、N 沟道 FET 驱动器以及 SHA-1 认证转换响应器完美融合于一套完整的高性能电池管理解决方案。

BQ28z610的应用框图

 

BQ28Z610具有以下特点：

 

采用专用主模式实现自主电池充电控制 I2C接口；采用内部旁路实现电池均衡以优化电池健康状况；高侧保护 N 沟道 FET 驱动器，允许在故障期间进行串行总线通信；在电压、电流和温度方面具备可编程的保护功能；具有双路独立 ADC 的模拟前端；支持电流和电压的同步采样；

 

另外还支持高精度库伦计数器，输入偏移误差 < 1µV（典型值）；支持低至 1mΩ 的电流感测电阻，同时能够进行 1mA 电流测量；SHA-1 认证响应器，用于提高电池组安全性；400kHz I2C 总线通信接口，用于高速编程和数据访问；紧凑型 12 引脚超薄小外形尺寸无引线 (VSON) 封装 (DRZ)。

 

（3）低成本30V宽输入电压同步升降控制器——LM34935

 

LM34935 在降压和升压工作模式下均采用电流模式控制，以提供出色的负载和线路调节性能。开关频率可通过外部电阻进行编程，并且可与外部时钟信号同步。

 

该器件还 具有可编程的软启动功能，并且提供 诸如 逐周期电流限制、输入欠压锁定 (UVLO)、输出过压保护 (OVP) 和热关断等各类保护特性。此外，LM5175 特有 可选择的连续导通模式 (CCM) 或断续导通模式 (DCM)、可选平均输入或输出电流限制、可降低峰值电磁干扰 (EMI) 的可选扩展频谱、以及应对持续过载情况的可选断续模式保护。

 

与LM5175 Pin  2 Pin与设计兼容。

 

Peak Boost and Valley Buck Current Mode Control

 

（4）可调节输出限流的 低成本6A 同步升压转换器——TPS61230A

 

TPS61230A 器件是一款高效全集成同步升压转换器。该器件集成了 6A、21mΩ 和 18mΩ 电源开关。当以 2.5V 输入电源供电时，该开关能够在 5V 输出下提供高达 2.4A 的输出电流。凭借低 RDS_ON 开关，该器件的功率转换效率高达 96%，最大限度降低了紧凑型封装中的热应力。

 

在轻载条件下，TPS61230A 自动进入 PFM 操作模式，从而在最低静态电流下实现效率最大化。在关断期间，通过将 EN 引脚拉至逻辑低电平，负载可与输入完全断开，输入流耗同时降至 1.0µA 以下。

 

该器件在输出短路时进入断续保护模式并在短路结束后自动恢复正常。集成了其他 特性， 如输出过压保护和热关断保护。

 

该器件采用 2.00mm x 2.00mm x 0.9mm HotRod 封装，所需外部组件最少。

 

TPS61230A解决方案尺寸

 

这个方案具备以下特点：

 

输入电压范围：2.5V 至 4.5V；输出电压范围：2.5V 至 5.5V；集成两个 21mΩ (LS)/18mΩ (HS) MOSFET；20µA 静态电流；6A 谷值开关电流限值；1.15MHz 准恒定开关频率；轻负载条件下以脉频调制 (PFM) 模式运行；1.05ms 软启动时间；真正实现负载断开连接检测；不支持在 Vin > Vout 时运行；输出短路保护；过压保护；热关断。

 

（5）低成本,支持18W输出的同步升压转换器——TPS61089x

 

TPS61089x 代表 TPS61089 和 TPS610891。TPS61089x 是一款全集成同步升压转换器，带有 19mΩ 主电源开关和 27mΩ 整流器开关。TPS61089x 具有 2.7V 至 12V 的宽输入电压范围，支持由单节或双节锂离子/聚合物电池供电的应用。TPS61089x 具备 7A 持续开关电流能力，能够提供高达 12.6V 的输出电压。

 

TPS61089x 采用自适应恒定关断时间峰值电流控制拓扑结构调节输出电压。在中等到重负载条件下，TPS61089x 以 PWM 模式工作。在轻载条件下，TPS61089 以可提升效率的脉频调制 (PFM) 模式工作，而 TPS610891 仍以可避免因开关频率较低而引发应用问题的 PWM 模式工作。

 

PWM 模式下的开关频率可在 200kHz 至 2.2MHz 范围内调节。TPS61089x 还内置 4ms 软启动功能和可调节开关电流峰值限制功能。此外，该器件还提供 13.2V 输出过压保护、逐周期过流保护和热关断保护。

 

TPS61089x 的Layout 样例

 

这个方案具备以下特点：

 

输入电压范围：2.7V 至 12V；输出电压范围：4.5V 至 12.6V；效率高达 90%（VIN = 3.3V、VOUT = 9V 且 IOUT = 2A 时）；针对高脉冲电流的电阻可编程峰值电流限值高达 10A；可调节开关频率范围：200kHz 至 2.2MHz；4ms 内置软启动时间；轻负载条件下的脉频调制 (PFM) 工作模式 (TPS61089)；轻负载条件下的脉宽调制 (PWM) 工作模式 (TPS610891)；13.2V 内部输出过压保护；逐周期过流保护；热关断；2.00mm × 2.50mm 超薄型四方扁平无引线 (VQFN) HotRod 封装，所需外部组件最少。

 

在TI和WPI还有方案商和终端厂商的共同努力下，相信大一统的USB PD叱咤风云的时代在不久之后将到来。