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高整合型USB PD解決方案席捲Type-C市場
精簡、安全、容易開發

【作者: 籃貫銘】   2019年04月29日 星期一

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圖一 : 對於純數位系統的設計者來說,具備USB PD功能的裝置是相對複雜且不熟悉,就必須仰賴和採用易於導入的解決方案與開發工具。
圖一 : 對於純數位系統的設計者來說,具備USB PD功能的裝置是相對複雜且不熟悉,就必須仰賴和採用易於導入的解決方案與開發工具。


「One for all」是USB PD(USB供電)的最大願景,目標是讓當前諸多的資料傳輸與供電介面能夠合而為一,讓裝置的設計與周邊設備的配置得以大簡化。


只要透過一個USB插槽和一條傳輸線,就可以同時達成資料傳輸和供電的功能,對於使用的便利性,以及裝置的相容性,都有極大的助益,這也是為什麼USB-IF在近幾年力推USB PD標準,希望能盡快迎來這個大一統的未來。


而不同於單純的USB方案,在導入USB PD設計時需要考慮到更多的面向,最主要的一環,就是需顧及電源管理/控制的類比功能,因此對於純數位系統的設計者來說,具備USB PD功能的裝置是相對複雜且不熟悉,就必須仰賴和採用易於導入的解決方案與開發工具。



圖二 : Type-C的引腳排列得更加緊密,經過一定數量的插拔之後,就可能因為線路損壞產生短路的情況。
圖二 : Type-C的引腳排列得更加緊密,經過一定數量的插拔之後,就可能因為線路損壞產生短路的情況。

另一方面,USB PD標準是定義在Type-C的架構下,意味著在供電的功能之外,還有更高速與更多元的資料傳輸性能,因此如何同時兼顧性能與安全性,也是開發者在進行設計時,必須考量的要點。


然而,在進行USB PD功能的導入前,首先則是要確認所應對的產品應用,也就是哪一類型的產品,是單純的電源極?還是支援雙向的裝置(供電兼傳輸)?又或者只是接電的裝置?這些應用所需要的供電電壓與適用的電流皆不同,因此在適用元件的採用上,也就有所差異。


更重要的是,這些不同的應用也會牽涉到是否需要進行主從端的溝通,進而衍生不同的控制功能與判斷邏輯,因此也會影響方案上的選用,以及後續的認證取得。


由於USB PD使用USB 3.1標準,也就是USB Type-C介面,因此在一個基本的設計裡,一定需要一個Type-C的控制單元,用以溝通兩個裝置,如果需要有其他的傳輸和控制功能,則可依據應用的不同再添加其他的微控制器(MCU)來達成。


意法半導體全系列PD方案 降低工程師開發難度

意法半導體(ST)資深技術市場工程師吳逸杰就指出,有別於傳統的USB供電只有10瓦(W)以下,電流約1安培(A)到2安培(A)的供電,目前的USB PD則是能處理到100瓦(W)的供電,因此所能支援的產品應用總類大幅的增加,但同時也提高了對元件保護的需求。



圖三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了獨家的演算法,可免除工程師額外程序開發的負擔。
圖三 : ST的STUSB4500 USB-PD控制器存放了獨家的演算法,可免除工程師額外程序開發的負擔。

他指出,USB PD使用Type-C規格,其引腳接線的數量提升到了24個,排列得更加緊密,因此在經過一定數量的插拔之後,就可能因為線路損壞而造成不正常連接,進而產生短路的情況。因此,USB PD控制器的保護能力就十分重要,才能確保裝置的穩定性與安全性。


吳逸杰表示,USB PD是一個更嚴謹的標準,其對於電力供應的上升和下降時序都有要求,因此僅使用離散元件來做設計並不好控制,最佳的解決方案還是採用專門的控制晶片。


以意法半導體為例,該公司旗下的USB Type-C PD解決方案提供了一系列的產品組合,能分別針對源極(source)、雙向(dual role)和汲極(sink)等不同的應用場景給與最適合的元件搭配,如單純Type-C PD供電,或者需進一步的資料傳輸功能,皆有對應的MCU與PD控制晶片。


吳逸杰進一步指出,就目前的市場趨勢來看,以汲極(sink)端所潛在的商機最大。而針對此應用的需求,ST旗下的STUSB4500 USB-PD控制器就能滿足這類裝置的開發需求。該晶片不僅通過USB協會的認證,更允許使用者自訂配置。


吳逸杰解釋,STUSB4500控制器在內部記憶體的預設的電源設定檔(Default Power Profiles,PDO),存放了意法半導獨家的演算法,以及供電設備協商的供電協定,可自動執行多項控制功能,免除了工程師額外程序開發的負擔,不僅簡化了整體裝置系統的開發流程,同時也加速了產品上市的時間。


此外,STUSB4500也支援多個電源選項,並管理多個輸入電源,只要導入該控制器,就可以讓傳統使用專用充電器的裝置,立即變成標準的Type-C供電的設備,大幅提升使用的便利性。


吳逸杰也十分看好Type-C介面電源供應器(adapter)市場的發展。他表示,依據實際客戶的導入情況來看,目前已有越來越多的裝置開始使用Type-C供電介面,他預計3年內,採專用電源供應器裝置的市場就會大幅減少,未來將會是USB PD為主的市場。


不過他也指出,目前USB PD裝置多是45W以下為主,60W至100W的USB PD設備並不常見,大概只有螢幕和投影機才會使用到如此高的瓦數。由於USB-IF的規範中有特別提到,只要裝置的電源供應超過60W和3A,就必須使用固定式的電源線,或者採用經過認證的線材,因此在電源線上的成本就會大幅增加。


而對於有快充(Quick Charge)需求的裝置應用,STUSB4500也同樣支援,其內建的電源選項已包含快充功能,或者給予5V以上的電池組充電。


Microchip整合多項類比元件 精簡電路配置

同樣也看好USB Type-C與PD在傳輸與供電應用上的便利性,Microchip也持續布局USB PD方案市場,其近期推出的PD控制器產品UPD350就是一款支援PD 3.0標準的整合型控制晶片。



圖四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0標準的整合型控制晶片。
圖四 : Microchip的UPD350就是一款支援PD 3.0標準的整合型控制晶片。

為了降低工程師的開發難度,UPD350在晶片內整合了多項類比元件,包括兩個Rp / Rd開關的VCONN FET,一個電源開關,以及用於電流和電壓檢測的電路。而透過這些整合的元件,UPD350系列能支援非常廣泛的產品應用,包含筆記型電腦、平板電腦與桌機等。


Microchip指出,透過新的PD技術,現在僅需使用一條USB資料線,就能在傳輸資料的同時,供應高達100W的電力,其供電量比USB 2.0增加了40倍。同時,充電速度較USB 2.0規格快十倍之多。有了100W的可用電力,設計人員可以針對快速電池充電和系統供電,進行電力的動態分配。


目前除了現有的USB PD控制晶片外,Microchip也推出採USB Type-C HUB連接器的USB7202 Gen2 10Gps HUB系列產品,提供給USB Type-C介面的HUB應用。該平台能支援四個下端的電池充電端口(最多10A電流)。


德州儀器高功率PD整合控制器 針對大功率應用

針對USB PD的相關應用,德州儀器(TI)也提供了一系列的解決方案,並且分門別類具體的應對不同的裝置的使用場景,來給予專用的產品組合。


近期,TI推出了新一代電源路徑達到100W和200W的USB Type-C與USB Power Delivery控制器:TPS65987D和TPS65988,能在雙埠與單埠應用裡,帶來更大的功率。


TI指出,高整合型的產品可簡化設計,縮減解決方案尺寸,並加速產品上市時間,同時也可以可降低設計的複雜性,進而減少整體成本。


TPS65987D的單埠設計能夠提供100 W的功率,晶片內也整合了獨立的20V、5A源極(source)和汲極(sink)的電流負載開關。此外,TPS65987D具有低RDS(on)(25mΩ)和反向電流保護,能夠在短路情況發生時,保護控制晶片和整體系統的安全。


至於TPS65988則是雙埠的方案,並可提供200 W的功率,和內建兩個整合的5A雙向負載開關與外部電源路徑控制,能夠同時給予雙埠5A的供電能力。尤其使用場效應電晶體(FET)製成路徑,能夠支援筆記型電腦、擴充底座 (docking stations),或者其他高功率的連網周邊設備等,能在保持低RDS(on)的情況下,以最低功耗實現高效充電。



圖五 : TPS65988是雙埠的方案,可提供200 W的功率,能夠同時給予雙埠5A的供電能力。
圖五 : TPS65988是雙埠的方案,可提供200 W的功率,能夠同時給予雙埠5A的供電能力。

TI強調,使用更少的零組件,能使設計更簡單,相較於一般需要18個外部電源元件的離散實作(discrete implementation)相比,整合型USB PD控制器可幫助設計人員降低設計複雜性。此外,新型控制器也可提供更好的反向電流保護,進一步節省PCB空間並保護系統。


看好快充應用 大聯大提供Type-C整合方案

除了提供USB PD供電方案,大聯大友尚集團也觀察到客戶對於快速充電的需求,其推出了一款以達爾科技(Diodes)方案為基礎的Type-C PD快充解決方案,該方案是以AP39303、APR34709、AP43771為基礎的18W PD3.0充電器解決方案,能符合多個快充標準,包含PPS、QC4,以及QC4+。


Diodes的AP39303是一款電源管理晶片,APR34709為同步整流晶片,AP43771則是支援PD3.0協議的快充管理晶片。



圖六 : 大聯大觀察到客戶對於快速充電的需求,其推出了一款以達爾科技(Diodes)方案為基礎的Type-C PD快充解決方案。
圖六 : 大聯大觀察到客戶對於快速充電的需求,其推出了一款以達爾科技(Diodes)方案為基礎的Type-C PD快充解決方案。

大聯大指出,AP39303採用SOP16封裝,且內建700V高壓開關MOSFET和高壓100VLDO,有助於縮小PCB尺寸並簡化布局。而為了保護系統安全,也內建了OCP、OVP及OTP的保護功能。


AP43771則採DFN3x3-14封裝,能同時滿足N-MOSFET和P-MOSFET兩種VBUS的控制輸?。此外,該晶片使用PD3.0協議,並通過USB-IF的認證,符合QC4.0、QC4.0+和PPS規範。


結語

整體而言,隨著Type-C介面的普及,USB PD的應用也會隨之更加廣泛,同時終端產品也會更加多元,並逐漸朝著USB-IF的藍圖發展,也就是成為統一的電源介面,至少在消費性電子領域會是如此。


而在此一趨勢的帶動下,易於導入、易於開發的整合式解決方案就會成為系統業者的首選,原因無他,就是為了加速產品上市的時程,同時也能降低整體的開發成本,對於主流的成熟應用來說,是最佳的解決方案。


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