账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
高整合型USB PD解决方案席卷Type-C市场
精简、安全、容易开发

【作者: 籃貫銘】2019年04月29日 星期一

浏览人次:【3287】
  

图一 : 对於纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易於导入的解决方案与开发工具。
图一 : 对於纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易於导入的解决方案与开发工具。


「One for all」是USB PD(USB供电)的最大愿景,目标是让当前诸多的资料传输与供电介面能够合而为一,让装置的设计与周边设备的配置得以大简化。


只要透过一个USB??槽和一条传输线,就可以同时达成资料传输和供电的功能,对於使用的便利性,以及装置的相容性,都有极大的助益,这也是为什麽USB-IF在近几年力推USB PD标准,希??能尽快迎来这个大一统的未来。


而不同於单纯的USB方案,在导入USB PD设计时需要考虑到更多的面向,最主要的一环,就是需顾及电源管理/控制的类比功能,因此对於纯数位系统的设计者来说,具备USB PD功能的装置是相对复杂且不熟悉,就必须仰赖和采用易於导入的解决方案与开发工具。



图二 : Type-C的引脚排列得更加紧密,经过一定数量的??拔之後,就可能因为线路损坏产生短路的情况。
图二 : Type-C的引脚排列得更加紧密,经过一定数量的??拔之後,就可能因为线路损坏产生短路的情况。

另一方面,USB PD标准是定义在Type-C的架构下,意味着在供电的功能之外,还有更高速与更多元的资料传输性能,因此如何同时兼顾性能与安全性,也是开发者在进行设计时,必须考量的要点。


然而,在进行USB PD功能的导入前,首先则是要确认所应对的产品应用,也就是哪一类型的产品,是单纯的电源极?还是支援双向的装置(供电兼传输)?又或者只是接电的装置?这些应用所需要的供电电压与适用的电流皆不同,因此在适用元件的采用上,也就有所差异。


更重要的是,这些不同的应用也会牵涉到是否需要进行主从端的沟通,进而衍生不同的控制功能与判断逻辑,因此也会影响方案上的选用,以及後续的认证取得。


由於USB PD使用USB 3.1标准,也就是USB Type-C介面,因此在一个基本的设计里,一定需要一个Type-C的控制单元,用以沟通两个装置,如果需要有其他的传输和控制功能,则可依据应用的不同再添加其他的微控制器(MCU)来达成。


意法半导体全系列PD方案 降低工程师开发难度

意法半导体(ST)资深技术市场工程师吴逸杰就指出,有别於传统的USB供电只有10瓦(W)以下,电流约1安培(A)到2安培(A)的供电,目前的USB PD则是能处理到100瓦(W)的供电,因此所能支援的产品应用总类大幅的增加,但同时也提高了对元件保护的需求。



图三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了独家的演算法,可免除工程师额外程序开发的负担。
图三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了独家的演算法,可免除工程师额外程序开发的负担。

他指出,USB PD使用Type-C规格,其引脚接线的数量提升到了24个,排列得更加紧密,因此在经过一定数量的??拔之後,就可能因为线路损坏而造成不正常连接,进而产生短路的情况。因此,USB PD控制器的保护能力就十分重要,才能确保装置的稳定性与安全性。


吴逸杰表示,USB PD是一个更严谨的标准,其对於电力供应的上升和下降时序都有要求,因此仅使用离散元件来做设计并不好控制,最隹的解决方案还是采用专门的控制晶片。


以意法半导体为例,该公司旗下的USB Type-C PD解决方案提供了一系列的产品组合,能分别针对源极(source)、双向(dual role)和汲极(sink)等不同的应用场景给与最适合的元件搭配,如单纯Type-C PD供电,或者需进一步的资料传输功能,皆有对应的MCU与PD控制晶片。


吴逸杰进一步指出,就目前的市场趋势来看,以汲极(sink)端所潜在的商机最大。而针对此应用的需求,ST旗下的STUSB4500 USB-PD控制器就能满足这类装置的开发需求。该晶片不仅通过USB协会的认证,更允许使用者自订配置。


吴逸杰解释,STUSB4500控制器在内部记忆体的预设的电源设定档(Default Power Profiles,PDO),存放了意法半导独家的演算法,以及供电设备协商的供电协定,可自动执行多项控制功能,免除了工程师额外程序开发的负担,不仅简化了整体装置系统的开发流程,同时也加速了产品上市的时间。


此外,STUSB4500也支援多个电源选项,并管理多个输入电源,只要导入该控制器,就可以让传统使用专用充电器的装置,立即变成标准的Type-C供电的设备,大幅提升使用的便利性。


吴逸杰也十分看好Type-C介面电源供应器(adapter)市场的发展。他表示,依据实际客户的导入情况来看,目前已有越来越多的装置开始使用Type-C供电介面,他预计3年内,采专用电源供应器装置的市场就会大幅减少,未来将会是USB PD为主的市场。


不过他也指出,目前USB PD装置多是45W以下为主,60W至100W的USB PD设备并不常见,大概只有萤幕和投影机才会使用到如此高的瓦数。由於USB-IF的规范中有特别提到,只要装置的电源供应超过60W和3A,就必须使用固定式的电源线,或者采用经过认证的线材,因此在电源线上的成本就会大幅增加。


而对於有快充(Quick Charge)需求的装置应用,STUSB4500也同样支援,其内建的电源选项已包含快充功能,或者给予5V以上的电池组充电。


Microchip整合多项类比元件 精简电路配置

同样也看好USB Type-C与PD在传输与供电应用上的便利性,Microchip也持续布局USB PD方案市场,其近期推出的PD控制器产品UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。



图四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。
图四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0标准的整合型控制晶片。

为了降低工程师的开发难度,UPD350在晶片内整合了多项类比元件,包括两个Rp / Rd开关的VCONN FET,一个电源开关,以及用於电流和电压检测的电路。而透过这些整合的元件,UPD350系列能支援非常广泛的产品应用,包含笔记型电脑、平板电脑与桌机等。


Microchip指出,透过新的PD技术,现在仅需使用一条USB资料线,就能在传输资料的同时,供应高达100W的电力,其供电量比USB 2.0增加了40倍。同时,充电速度较USB 2.0规格快十倍之多。有了100W的可用电力,设计人员可以针对快速电池充电和系统供电,进行电力的动态分配。


目前除了现有的USB PD控制晶片外,Microchip也推出采USB Type-C HUB连接器的USB7202 Gen2 10Gps HUB系列产品,提供给USB Type-C介面的HUB应用。该平台能支援四个下端的电池充电端囗(最多10A电流)。


德州仪器高功率PD整合控制器 针对大功率应用

针对USB PD的相关应用,德州仪器(TI)也提供了一系列的解决方案,并且分门别类具体的应对不同的装置的使用场景,来给予专用的产品组合。


近期,TI推出了新一代电源路径达到100W和200W的USB Type-C与USB Power Delivery控制器:TPS65987D和TPS65988,能在双埠与单埠应用里,带来更大的功率。


TI指出,高整合型的产品可简化设计,缩减解决方案尺寸,并加速产品上市时间,同时也可以可降低设计的复杂性,进而减少整体成本。


TPS65987D的单埠设计能够提供100 W的功率,晶片内也整合了独立的20V、5A源极(source)和汲极(sink)的电流负载开关。此外,TPS65987D具有低RDS(on)(25mΩ)和反向电流保护,能够在短路情况发生时,保护控制晶片和整体系统的安全。


至於TPS65988则是双埠的方案,并可提供200 W的功率,和内建两个整合的5A双向负载开关与外部电源路径控制,能够同时给予双埠5A的供电能力。尤其使用场效应电晶体(FET)制成路径,能够支援笔记型电脑、扩充底座 (docking stations),或者其他高功率的连网周边设备等,能在保持低RDS(on)的情况下,以最低功耗实现高效充电。



图五 : TPS65988是双埠的方案,可提供200 W的功率,能够同时给予双埠5A的供电能力。
图五 : TPS65988是双埠的方案,可提供200 W的功率,能够同时给予双埠5A的供电能力。

TI强调,使用更少的零组件,能使设计更简单,相较於一般需要18个外部电源元件的离散实作(discrete implementation)相比,整合型USB PD控制器可帮助设计人员降低设计复杂性。此外,新型控制器也可提供更好的反向电流保护,进一步节省PCB空间并保护系统。


看好快充应用 大联大提供Type-C整合方案

除了提供USB PD供电方案,大联大友尚集团也观察到客户对於快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案,该方案是以AP39303、APR34709、AP43771为基础的18W PD3.0充电器解决方案,能符合多个快充标准,包含PPS、QC4,以及QC4+。


Diodes的AP39303是一款电源管理晶片,APR34709为同步整流晶片,AP43771则是支援PD3.0协议的快充管理晶片。



图六 : 大联大观察到客户对於快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案。
图六 : 大联大观察到客户对於快速充电的需求,其推出了一款以达尔科技(Diodes)方案为基础的Type-C PD快充解决方案。

大联大指出,AP39303采用SOP16封装,且内建700V高压开关MOSFET和高压100VLDO,有助於缩小PCB尺寸并简化布局。而为了保护系统安全,也内建了OCP、OVP及OTP的保护功能。


AP43771则采DFN3x3-14封装,能同时满足N-MOSFET和P-MOSFET两种VBUS的控制输?。此外,该晶片使用PD3.0协议,并通过USB-IF的认证,符合QC4.0、QC4.0+和PPS规范。


结语

整体而言,随着Type-C介面的普及,USB PD的应用也会随之更加广泛,同时终端产品也会更加多元,并逐渐朝着USB-IF的蓝图发展,也就是成为统一的电源介面,至少在消费性电子领域会是如此。


而在此一趋势的带动下,易於导入、易於开发的整合式解决方案就会成为系统业者的首选,原因无他,就是为了加速产品上市的时程,同时也能降低整体的开发成本,对於主流的成熟应用来说,是最隹的解决方案。


相关文章
工业4.0催化转型 驱动PLC智慧变革
工业4.0步步进逼 新一代感测器持续升级
物联网简介
智慧型水耕蔬菜云端控制系统
工业机器人提升感测效能与价值 有赖与半导体业者深度整合
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
OMAP 4处理器
原厂/品牌:TI
供应商:TI
產品類別:CPU/MPU
MOSFET驱动器
原厂/品牌:TI
供应商:TI
產品類別:Power
Platform Manager Devices
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
  相关新闻
» ST提供先进SiC功率电子元件 协助雷诺/日产/三菱联盟研发下一代电动汽车快充技术
» Microchip大中华区技术精英年会报名开始
» ST和艾睿电子携手推出符合小型引擎排放新规的电子燃油喷射叁考设计
» 意法半导体2019年Q2 营收增加4.7% Q3预测净营收成长约15.3%
» 意法半导体推广MadeForSTM32品质标章 加强STM32 MCU生态系统
  相关产品
» 意法半导体新探索套件和韧体 加速STM32G4数位电源和马达控制专案研发
» TI新型电池充电器提供20mA截止电流 提升电池容量及使用寿命
» Microchip推出两款USB-PD解决方案 扩充USB Type-C充电市场
» 意法半导体构建STM32Trust生态系统 整合网路保护资源
» 意法半导体推出数位功率因数控制器
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw