如何应对USB PD在移动设备中快速充电的新挑战？

当前增长最快的电源应用是什么？毫无疑问，智能手机等移动设备的快速充电方式占有一席之地。USB PD技术为移动设备快速充电提供了卓越的性能，但与此同时，它也给电源适配器带来了设计和BOM成本上的挑战。那么，用于移动设备快速充电的电源适配器主要面临哪些挑战？USB PD解决方案又如何解决这些挑战？

Dialog系统和应用高级总监李勇博士说，未来电源适配器将会朝着体积越来越小、功率越来越高、充电速度越来越快、安全性越来越高的方向发展。为满足这些趋势，市场需要具有高功率密度和超高效率的IC解决方案，并使用更少且更小的元件，这需要能够专门为AC/DC电源优化的USB PD解决方案，它们能够提供可靠、低成本的系统方案，并简化适配器设计。

                                      Dialog系统和应用高级总监李勇博士

快速充电的关键挑战是什么？

移动设备的快速充电对电源适配器带来了许多挑战，其中成本、安全性和各种快速充电协议是最大的挑战。目前市场上有众多不同的快速充电协议，包括高通Quick Charge 2.0/3.0（QC2.0/3.0）、联发科技PumpExpress Plus（PE+ 1.0/2.0）、三星自适应快速充电（AFC）、华为快速充电协议（FCP）、针对直充的华为超级充电协议（SCP）、其他OEM厂商专有协议、USB Power Delivery（USB PD 2.0, 3.0）、USB-IF可编程电源（PPS）、高通Quick Charge 4+（QC4+）等等。其他挑战还包括：功率密度、恒压恒流（CVCC）规范、效率、空载待机功耗、动态负载响应、音频噪声、用户体验和EMI / EMC共模噪声等。

李勇博士表示，理想的快速充电系统是能够协商任何电流和任何电压，不管协议如何，能够克服电源适配器系统的各种挑战。

如何对AC/DC电源进行优化？

USB PD通过单根线缆提供更灵活的电力和数据传输，实现USB功能的最大化。功率流方向不再是固定的。它可以跨多个外设优化电源管理，并提供智能、灵活的系统级电源管理。但是在移动设备的AC/DC快速充电方面仍存在一些限制，需要对其进行优化。

据李勇博士介绍，传统的USB PD解决方案未对AC/DC电源进行优化；有些功能超出需求（例如音频模式，双向功率流）。它们通常是基于DSP或MCU的，其内在控制器IC成本较高。它们需要许多外部元件和较高的系统BOM成本，还要求电源硬件工程师编写软件或固件，其系统设计流程通常很复杂，而且产品设计周期也很长。因此，市场需要一款专门为AC/DC优化的USB PD解决方案。

他以Dialog的一款USB PD解决方案为例介绍，该方案专门针对AC/DC进行了优化，由iW1781（针对USB PD优化的一次侧控制器）、iW676（针对直充和USB PD优化的同步整流控制器）和iW656（USB PD2.0接口IC）组成。而为了推动向USB PD 3.0 / PPS的演进，Dialog还推出了iW656P和iW657P二次侧接口IC。这两款IC均支持USB PD 3.0和PPS协议，与一次侧控制器iW1791结合，该芯片组组成了优化的USB PD 3.0 / PPS AC/DC解决方案。

如何为便携式电源适配器进行简化和优化？

李勇博士介绍，为便携式电源适配器进行简化和优化的关键在于USB PD控制器，它需要具有更高的集成度，覆盖更宽的电压范围，实现更低的IC成本。

Dialog在一款USB PD / PPS电源适配器设计中，使用iW657P USB PD控制器、iW1791主控制器和iW676 SR控制器。其中，iW656P / iW657P提供iW656的全部功能，并支持USB PD 3.0、高通QuickCharge 4+、USB PPS和直接充电。它提供低至10mV /step的VBUS 分辨率、板载VBUS / TJ / VSD测量和增强的USB Type-C控制，包括对智能线缆的VCONN支持。iW657P还提供额外的电流检测功能，可通过板载ADC测量次级电流，并与移动设备通信，实现更智能的控制和保护。

图1. 使用iW657P + iW1791 + iW676的USB PD/PPS电源适配器设计示例

这是单一PCB板实现完整的USB PD电源适配器的设计，它无需子板，而传统的解决方案中通常需要用子板来托管基于MCU的USB PD控制器。该方案大大简化了外部元件的数量，实现了简单的电源设计，并且无需编写软件或固件。

李勇博士介绍，USB PD 3.0向后兼容USB PD 2.0，并增加了直接充电功能。它为可编程电源模式提供了一种新型增强供电数据对象（APDO）。移动设备可以高精度地在规定范围内请求和控制电源适配器的输出电压，并实现可编程电流折返。它提供了一种新的支持直充和其他充电算法的机制。PPS需要20mV /step电压分辨率，最小电压可降至3.3V。采用PPS设计的便携式电源适配器可以直接为移动设备内的电池充电，包括智能手机，这有助于解决移动设备端电源管理的散热和成本方面的挑战。