USB 供电能力的发展历程和车用智能充电器的推荐方案

早期 USB 端口的供电能力极其有限,5V/500mA 便到头了。为了充分利用这点能力来为手机服务,很多人曾经花了很大的力气去创造一些此前从未有过的解决方案,我也曾经参与过这样的工作。到了 USB 3.0 的时候,500mA 的电流限制扩展到了 900mA,可惜的是这个版本并不好用,新增的高速数据线使它的插头/座变得很宽,使用上的不便性是一目了然。BC1.2 即 USB battery charging specification 1.2 是在 USB 2.0 基础上发展出来的一个解决移动设备充电问题的方案,它把针对不同应用的 USB 端口分别定义为 SDP(Standard Downstream Port)、CDP(Charging Downstream Port)和 DCP(Dedicated Charging Port),最大电流供应能力扩展到了 1.5A,还可通过数据线 D+/D- 对各种不同来源的充电器或移动设备进行定义、识别,几乎可以和当时市场上各种来源的移动设备兼容。目前最新的 USB 标准在升级以后仍然将 USB 2.0 作为它的一个组成部分,在其中实施 BC1.2 也仍然是顺理成章的,而我们也把支持 BC1.2 的端口控制器称为充电端口控制器,前面介绍过的 RTQ2115C-QA  就包含了这样的东西,它还同时带有 D+/D- 数据线开关及满足供电需要的  36V/3.5A Buck 转换器。

3.5A 的供给能力已经超越了 BC1.2 的规格,让 USB-C 型接口的需求也能得到满足。​USB-C 型接口的最大传输功率是 15W = 5V x 3A,要满足现今很多设备的需求还是有点捉襟见肘的意思,但 USB PD(USB Power Delivery)把这个限制拓展到了 100W,与之对应的电压是 20V,相应的电流是 5A。PD 协议的 1.0 版本直接利用 USB 2.0 总线自有的 VBUS/GND 来传输协议,与电源共线传输的信息自然是要利用不同的频段,这不仅造成了实现难度的提升,还会有严重的其他问题出现,我在市场上就没有看到过任何应用的踪迹。

USB-C 型接口的出现救了 PD 的命,新增的 CC 线成了它传输信号的载体,应用空间一下就打开了,现如今已经遍地开花,我也经常利用它为自己服务。最早使用的 PD 2.0 容许传输的电压都是固定的,5V、9V、15V、20V 这些常用的固定电压都可经它传递,只要收发双方都认可便行,要传输可调的电压则要等到 PD 3.0 以后,现在一部分手机使用的直充模式就有赖于这种特性的支持,因为手机所用锂离子电池的常用电压范围大约就是 3.3V~4.2V,一旦手机开通直充模式,它就把自己的电池切换到与 USB VBUS 电源线直连的模式并让供电端进入恒流、恒压的工作模式,相应的恒流参数便是电池能够接受的最大充电电流,恒压参数则是比电池电压略高一点的水平,只要能克服传输线阻抗达到它想要的电流量便可以了。这种充电模式下的手机已经暂时放弃了恒流、恒压的控制权,把这部分工作完全交到了充电器手里,最大的好处就是能将不必要的损耗环节全部消除掉,系统的发热量降到了最低,同时也为充电电流的最大化创造了条件,可以快速完成充电。使用这种可调输出方式的电源是完全可程控的,所以也被称为 PPS 可程控电源(Programmable Power Supply),PD 规范里就是这样定义的。

使用 PD 协议的电源电流最大值为 5A,如果想以超过 5A 的电流为手机电池充电,我们能够想到的自然是要提高传输的电压,这时候就需要在手机侧使用Buck 架构的电池充电电路。如果此时实施的 PD 协议是 3.0 版本的,手机里还可以使用一种利用电容作为储能元件的电压折半充电技术,这时通过总线传输的电压便是电池电压的 2 倍,而总线传输的电流则是充电电流的 1/2。PD 3.0 容许传输的电压范围介于 3V~20V 之间,已经覆盖了从手机到笔记本电脑等众多设备的需求范围,所以手里只要有一个充电器便可以了。如果想在汽车里利用车载电池为这么广泛的设备服务,能被利用的最佳转换架构应该是能够自动升压和降压的 Buck-Boost 拓扑,其应用电路就与下图所示的架构相当:



在此图中,由 QA、QB、QC、QD 和 L1 构成的 Buck-Boost 拓扑可在  RTQ7880-QT 的控制下以 Buck 或 Boost 架构工作,它们会自动根据输入电压 VIN 和输出电压 VBUS 的状态确定自己的工作状态,满足应用的供电需求。对 RTQ7880-QT 而言,VIN 的电压范围定义是 4V~36V,完全满足车用环境的需求,而 RTQ7880-QT 又是通过了 AEC-Q100 Grade 2 认证的,设计者无须担心它是否能被汽车厂商接受,相关的认证便是通行证。RTQ7880-QT 内含 ARM Cortex™-M0 处理器,可对通过 USB-C 型接口 CC 线传输的 PD 协议及通过 D+/D- 传输的各种私家协议进行处理,是当前业界集成度最高的车用 USB 充电解决方案。由于 RTQ7880-QT 拥有众多的特性,细节就不再详述了,有需要更多信息的读者请点击 RTQ7880-QT 前往立锜官网查看。

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评论

請問在賣場看到的 usb 充電器, 常見標示 2.1A 及 1.0A 請問這是哪種規格 ? 上面提到的各種 USB 充電規格, 好像沒有 2.1A