使用 USB-C 充電控制器，無須韌體即可實作快速充電

5G 智慧型手機的更大螢幕、效能提升、更高數據傳輸量，造成更大電池容量及更快充電能力的需求。消費者對快速充電的期望不斷提高，設計人員面臨的挑戰在於如何超越傳統充電方式，排除其效率低落，以避免在電源位準符合要求時造成的過熱現象。

USB Type-C® (USB-C) 電力傳輸 (PD) 3.0 可編程電源供應 (PPS) 能力的推出有助於提供有效解決方案，但所需的韌體開發仍然會拖延產品推出。

本文說明與 5G 行動電話快速充電的相關問題，以及 USB-C PD 3.0 PPS 可如何協助設計人員有效率地符合較大型電池更快充電的要求。藉著介紹並展示開發人員如何使用高整合度的 ON Semiconductor USB-C 控制器，此控制器在有限狀態機 (FSM) 中實作 USB-C PD 3.0 PPS。因此無須進行韌體開發，可為新一代充電器加速實作快速充電。

功能更強大的智慧型手機為快速充電配接器帶來新的挑戰

市場分析師指出，到 2023 年 5G 智慧型手機預計會佔 50% 以上的智慧型手機整體出貨。使用者從這些行動電話享有 5G 服務優勢時，會發現既有的行動電話充電器和充電台無法良好匹配新一代智慧型手機對快速充電的要求。

Samsung 的 S20 Ultra 5G 等精密 5G 行動電話具有更大螢幕、更快處理能力，以及遠遠超過前代行動電話的強大資料傳輸量。為了因應更大的螢幕和對應的更高電力消耗，既有的 5G 行動電話搭載更大的電池。例如，Samsung 的 S20 Ultra 5G 具有 6.9 in 的螢幕及 5,000 mAh 的電池，電池容量比前代機型高 25%。

消費者期待更大電池容量和更長的續航力，但卻期望充電時間能縮短，而非 25% 更長。對製造商而言，由於電池本身具有限制，為因應車內、家庭、辦公室充電台不斷提升的要求，為更高容量電池縮短充電時間的需求成為重大挑戰。

鋰離子 (Li-ion) 電池製造商針對充電電流和電壓有嚴格的閾值規範。額定 1,000 mAh 的傳統鋰離子電池，典型充電率為 0.7 C，或 700 mA 充電電流。套用於電力完全耗盡的 5,000 mAh 電池，0.7 C 充電率 (或 3,500 mA 充電電流) 需要約 45 分鐘才會達到 50% 的充電狀態。

更先進的電池技術可以支援高於 1 C 的充電率，但充電器和被充電的裝置都需要能容納極高電功率位準。例如，5,000 mAh 電池以更高的 1.5 C 充電率，從 0% 到 50% 只需約 22 分鐘，但即使在高效率充電系統中，7.5 A 充電電流也可能會對元件造成應力，並產生過度熱負載現象。事實上，USB-C 廣泛用於電源和其他功能的工業標準介面，相容充電器也會受限於可透過 USB-C 纜線傳輸的最大電流。USB-C 內涵一個電子標籤 IC，可為連接的裝置提供纜線資訊；此類纜線的最大電流為 5 A。(不含電子標籤的纜線，其最大電流為 3 A)。

行動裝置製造商可在電源輸入和電池充電電路之間嵌入充電幫浦，克服此限制。例如，若要支援 7.5 A 充電系統，旅行配接器能以 4 A 供應 10 V，依賴典型一比二充電幫浦輸出 5 V (約 8 A) 至充電電路。此方式能讓旅行充電器提升 USB-C 電壓 (VBUS)，同時保持 USB-C 相容電流位準。

提升充電功率需要更有效的控制

支援超過 5 V 的 VBUS 位準得以使用此高電壓、低電流方式。USB PD 2.0 規格定義一系列的固定電力傳輸物件 (PDO)，指定固定電壓位準 (5、9、15、20 V) 和電流 (3 或 5 A) 的組合。

儘管 USB PD 2.0 固定 PDO 可達到更高的充電功率，若將充電電壓和電流設定在過高或過低的固定位準，可能會造成充電效率低落、不可接受的熱負載、對元件的應力。實際上，充電電路在其輸入電壓 (由 USB-C VBUS 供應) 些微超過其輸出電壓 (電池電壓) 時可達到最佳效率。由於電池電壓在正常操作下會持續變化，維持此最佳充電效率為一項挑戰。隨著電池放電，電池電壓和 USB-C 充電電壓 (VBUS) 之間的差異會加大，降低充電效率。相反地，隨著電池充電，充電電路需要降低充電電流以保護電池。

無法直接降低旅行充電器供應的充電位準，功耗會增加，進而降低效率及產生熱。因此，最佳充電位會準持續改變，通常以增量形式，並且需要相對應的增量位準，以便控制充電電壓和電流，進而達到最高效率。

USB-C PD 3.0 PPS 如何提升效率

USB-C PD 3.0 PPS 的設計用於因應在更高充電功率下更有效率的充電需求，可讓被充電裝置 (流入裝置) 要求充電器 (流出裝置) 以 mV 和 mA 的步階增減在增量 PDO 通告的充電電壓和電流。運用此能力，流入裝置可以調整其電源電壓和電流，以最佳化充電效率。

PPS 的推出大幅轉換充電流程。過去，流出裝置的充電器控制並執行充電演算法。如今採用 PPS，充電演算法轉由流入裝置控制，流出裝置執行流入裝置指示的演算法。

採用 PPS，智慧型手機或其他流入裝置會與充電流出裝置通訊，進行最佳化電力傳輸，透過協商​協定，達到同意的 PD「合約」，其中包含簡要的交換流程如下：

1. 流出裝置探索連接的纜線是否為 5 A 相容
2. 流出裝置通告其電源電壓和電流能力，可多達七個 PDO
3. 流入裝置要求其中一個通告 PDO
4. 流出裝置接受要求的 PDO
5. 流出裝置以同意的電壓和電流位準提供電力

先進的行動裝置，如前述 Samsung 的 5G 行動電話，運用此能力，使用相容的充電器提供快速充電。對於設計快速充電旅行配接器和針對產品打造充電台的製造商而言，實作此類型的充電協定通常需要開發控制器韌體，才能執行協定和操作相關功率裝置。針對 USB-C PD PPS 等已良好建立的標準，FSM 解決方案是有效率的替代方式；此解決方案無須開發韌體，因此可避免完成最終產品的延宕。ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適性電源充電控制器使用實作 FSM 的 USB-C PD 3.0，包含 PPS，加速充電器的開發，能因應新一代智慧型手機和其他具有高容量電池的行動裝置，符合其快速充電需求。

為 USB-C PD 3.0 相容快速充電器整合控制器

ON Semiconductor 的 FUSB3307 是整合式電源控制器，可實作 USB-C PD 3.0 PPS，無須外部處理器。此元件搭配纜線偵測、負載閘極驅動、多重保護功能，以及恆定電壓 (CV) 與恆定電流 (CC) 調節，在硬體中整合完整的 PD 3.0 裝置原則管理器、原則引擎、通訊協定、實體層。

FUSB3307 的設計用於支援 AC/DC 和 DC/DC 充電器，可完整、適當回應 PD 電源。有鑑於此，設計人員能以 FUSB3307 和相對較少的額外裝置和元件，實作 USB-C PD 3.0 相容電源。

連接至流入裝置時，FUSB3307 會自動偵測流入裝置的能力並連接纜線，接著會依照 USB-C 規格通告其能力。當流入裝置回應支援的 PDO 選擇時，FUSB3307 會執行 VBUS 和控制電源電路，確保要求的充電電壓和電流位準傳送至流入裝置。

由於 FUSB3307 整合完整控制功能，其基本操作原則針對 AC/DC 和 DC/DC 充電器，在概念上都相同。為回應流入裝置的命令，流出裝置中的 FUSB3307 使用其 CATH 輸出引腳驅動回授控制訊號至流出裝置的功率級。執行充電作業時，FUSB3307 使用其 VFB 引腳監測充電電壓，並且使用 IS+/IS- 引腳偵測跨感測電阻的充電電流。這些監測位準接著會饋入內部電壓和連接電壓 (VFB) 和電流 (IFB) 引腳的電流迴路錯誤電路。這些訊號接著用來控制 CATH 引腳，進行 CV 和 CC 控制。FUSB3307 的 14 引腳小型積體電路封裝 (SOIC) 內的其他引腳支援負載閘極驅動、USB-C 連接器介面，以及一些保護特點。

FUSB3307 流出裝置控制器簡化充電器設計

各類型充電器的設計會在主要 CATH 輸出、VFB 輸入和其他引腳使用不同的配置。在 AC/DC 壁式充電器或 AC/DC 配接器中，FUSB3307 在二次側監測電壓和電流，並驅動控制回授至一次側 (圖 1)。

圖 1：FUSB3307 針對壁式充電器或配接器的 AC/DC 設計，係透過隔離光耦合器，控制 PWM 控制器從流入裝置針對不同充電電壓回應命令。(圖片來源：ON Semiconductor)

此充電設計中，FUSB3307 的 CATH 輸出引腳通常會連接至二次側的光耦合器陰極，傳送回授控制訊號至一次側脈寬調變 (PWM) 控制器，例如 ON Semiconductor 的 NCP1568。在二次側，FUSB3307 電壓和電流感測輸入會從同步整流器控制器監測輸出，例如 ON Semiconductor 的 NCP4308。

例如，在汽車應用的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 會直接控制 DC/DC 控制器。在此，FUSB3307 的 CATH 回授訊號連接至 DC/DC 控制器的補償 (COMP) 引腳，例如 ON Semiconductor 的 NCV81599 (圖 2)。

圖 2：在針對汽車充電器的 DC/DC 充電器設計中，FUSB3307 直接控制 DC/DC 控制器的電壓輸出，依照流入裝置的命令提高或降低輸出，例如 5G 行動電話或其他行動裝置。(圖片來源：ON Semiconductor)

ON Semiconductor 在用於 FUSB3307 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板中，實作此特定的 DC/DC 充電器設計。此板件設計在單一 DC 電源供應器下操作，提供相容於含 PPS 的 USB PD 3.0 的完整充電電源，供應 5 A 電流 (最大)，VBUS 位準從標準的最低 3.3 V 至最高 21 V。

此評估板能讓開發人員探索 FUSB3307 與 USB PD 3.0 相容裝置以及傳統 USB PD 2.0 裝置的互動。開發人員可以透過監測由板件傳輸至 USB-C PD 功能裝置 (如筆記型電腦和智慧型手機) 的 VBUS 電壓和電流，立即開始探索快速充電流程。

此方式針對 FUSB3307 與現成 USB PD 3.0 5G 行動電話互動的能力，以及行動電話如何使用 USB PD 3.0 PPS 協定最佳化其充電電壓和電流提供特定深入見解。在此能力的其中一項展示中 ^[1]，現成的 Samsung S20 Ultra 5G 發出一系列的命令至 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，以大型和小型的步階修正充電電壓和電流 (圖 3)。

圖 3：ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板展示 FUSB3307 回應現成 5G 行動電話的命令，以便精細調整其充電電壓和電流。(圖片來源：ON Semiconductor)

在此示範中，板件和行動電話連接後，5G 行動電話會選擇基線 PDO (5.00 V 和最大 5.00 A)，如圖中前 10 秒所示。在此階段中，充電電壓 (VBUS) 為 5 V，且 5G 行動電話約流入 2 A 充電電流 (IBUS)。5G 行動電話接著會要求增量 PDO，宣示流出裝置在 4 A 供應 8 V 的能力。FUSB3307 順應要求並立即改變：隨著 5G 行動電話提升 IBUS 電流，VBUS 如同要求跳至 8 V，且 IBUS 顯示逐步遞增。

在 VBUS 急促上升後，PPS 的充電電源明顯增量增加。5G 行動電話約每 210 ms 要求 VBUS 提高 40 mV，逐漸提升 VBUS 至更高位準。IBUS 達到 4 A 時 (圖中綠色虛線)，FUSB3307 使用標準 PPS 協定發布警報訊息，通知 5G 行動電話已達到要求的電流限制。5G 行動電話接著會發布要求，進一步以 40 mV 增量提升 VBUS，最終達到 9.8 V。日常使用中，此類自適性流出裝置充電能力可以達到快速充電所需的最大充電效率，不會過熱或造成流入裝置的效能折衷。

使用 ON Semiconductor 的 FUSB3307MX-PPS-GEVB 評估板，開發人員可以在既有裝置中立即探索 USB-C PD 的使用，並且延伸板件的相關公版設計，以便在相容於 USB PD 3.0 單元中實作自訂快速充電。最佳的優勢在於，無須進行韌體開發即可實作。採用 FUSB3307，開發人員可運用熟悉的電源供應器技術打造配接器，用於充分運用 5G 行動電話和其他相容裝置快速充電的優勢。

結論

5G 行動電話為使用者帶來豐富的新特點和功能，但用來支援此類裝置所需的大容量電池對設計人員來說是一項挑戰。尤其是設計人員需要確保旅行配接器和充電台要在不會過熱的情況下，提供快速充電。

ON Semiconductor 的 FUSB3307 自適性充電控制器具有完整的 USB PD 3.0 PPS 相容性，並且無須韌體開發，提供立即設計解決方案。結合此控制器與熟悉的電源供應器裝置和元件，開發人員可以快速實作配接器，支援快速擴充的 USB PD 3.0 能力 5G 行動電話和其他行動裝置的產品。

參考資料

1. 《5G、快速充電和 USB-C 可編程電源供應器的技術匯聚》 (Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies)