USB供电技术助力LED照明产品创新

引言

USB ( Universal Serial Bus）为“通用串行总线”的缩写，其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通信，由英特尔、罗技、微软等计算机龙头企业发起，于1994年11月11日发布了USB 0.7版本。

到1999年，USB联盟新增了惠普、朗讯和飞利浦等新成员,推出USB 2.0，传输率提升到480Mbps。新版本可使用在喷墨打印机、扫描仪等计算机周边装置上，并扩充了供电的容量，USB端口可以对外部周边装置提供5V/0.5A的电力。

2007年英特尔公司、惠普（HP）、NEC、NXP半导体及德州仪器（TexasInstruments）等公司共同开发USB 3.0技术规范。USB 3.0技术主要应用于个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。此时手机的充电也逐渐往USB靠拢，以USB端口作为充电与存储照片使用，但这时的USB充电要4小时以上才能充满手机。

虽然主流的手机大厂极力抗拒，但在智能型手机的普及与欧盟法规制定的推动下，USB Micro 2.0成为主流的充电端口，提供手机5V/900mA容量的慢速充电，通常2小时充满手机电池。随着锂电池快充的发展，更大功率的供电容量、快速充电成为刚性需求。在USB的充电产品中，携带的移动电源成为手机的标配装置。

如今，USB供电已经无处不在。作为优质供电器，即使是用户报废手机后留下的USB线，也仍可继续使用，因为现在越来越多的小夜灯、台灯、便携式蓝牙音箱、蓝牙耳机、闹钟等都可以用USB来供电。

五金交电行业也意识到USB的供电需要，高端的86 AC插座面板也配上 USB 5V/2A供电端口。

USB Type-C

USB Type-C于2013年底公布，2014年开始有量产的产品推出。经过多年的发展，如今已经成为了主流的USB接口。目前不仅新推出的智能手机基本上都支持Type-C接头，笔记本电脑、数码相机、智能音箱、移动电源等设备也都开始采用Type-C规格的USB接口。苹果已经完全将旗下MacBook笔记本电脑改为了纯USB Type-C接口来让用户传输数据或充电。而USB组织在2019年9月3日发布的USB 4标准更是宣布，将只支持Type-C接口。

为何从一开始那么多的USB接头，最终都归结为Type-C呢？因为USB Type-C几乎解决了过去USB接头的所有缺陷： 1、Type-C接头无需区分正反面使用，更为便利。 2、在USB4标准支持下，最高可传输速率可达40 Gbps，数据备份更快速。 3、接头的电流容量，最高可以支持5A电流，为5V提供了最大25W的供电能力。  

但5V不能做为快充供电，于是各家手机公司又推出了各种快充方案，如QC、FC等。这些方案都是基于提升供电电压到9V或12V的方式，于是USB PD在此基础上因运而生。

USB PD的发展

USB PD的“PD”是Power Delivery的缩写，意思是电力的交付者，是在USB Type-C的框架下所创造的大功率供电标准。USB作为是数字通信装置，连接后通信两端会进行相互识别，USB PD则是在此基础上增加了一段数字对话来沟通双方电力的供应方式。

USB PD最大的突破在于电压的上升。标准的USB提供5V供电，线材的最大电流容量是5A。如果超过了5A电线会变粗大，不便于携带，更增加生产成本。既然改不了电流，就只能加高电压。

USB PD提供5V以外的9V、12V、15V、20V电压，共有5种输出电压可选择。因此一个USB PD端口最大可以输出100W电力。

USB 电压与功率的关系

USB PD供电器产品  

USB PD比起USB Type-C多出4倍的电力输出容量。目前市面上的USB PD供电器通常已有18W、24W、45W、65W、95W，为手机的快充、平板电脑、笔记本电脑与充电宝的供电。

USB PD产品另一个特点是体积小，其体积小是因为有两项工程材料与技术的突破。

1、氮化镓MOS管

USB PD供电器采用了第三代半导体技术的零件—氮化镓MOS管。氮化镓MOS管的内阻与工作频率都优于传统的硅基半导体的MOS管，具有更低发热、 更高的效率与小体积。

氮化镓MOS管与硅基半导体的MOS管

2、更高的开关工作频率

开关电源的开关频率越高表示可以设计体积更小的电源供应器。氮化镓MOS管的工作频率可以达到1Mh以上，这是隔离变压器体积缩小的关键。所以同样的输出功率，用了氮化镓器件的USBPD供电器的体积是传统硅基器件的供电器的1/3以下。

照明产业与USB

在USB 2.0可以提供5V/0.5A的2.5W电力时，照明圈中的小夜灯就已经跟进使用USB供电，LED小夜灯的电压通常在0.2到1W之间，所以任何USB供电器都能适用。

随着USB 3.0的 5V/0.9A供电器的普及，众多的阅读灯、小型台灯、装饰灯、小夜灯等大量采用USB供电的方式。目前这类商品绝大多数是附上USB线,但不配备USB供电器。

LED照明产品使用USB供电，电压只有5V，只能单串LED使用，低电压高电流导致驱动电路效率低、成本高。要做出大功率LED灯具是很困难的。而USB PD的供电可以达到15V与20V，LED可以4或 6串使用，LED驱动电路的效率更高，成本更优化。

USB PD的LED灯具更为安全

使用USB PD的LED灯具属于低压产品，所用电源为低压20V直流。USB PD供电的灯具就归属在第三类产品，所需要的安规认证就相对简单，无须高压的UL和TUV认证，只需要做相关EMI的认证。

而USB PD供电器，多为有完整资质与认证的工厂所生产。AC 部份的高压安规认证齐全，常用的CCC、UL、TUV、CB等资质一应俱全。电路结构也是隔离式的架构，用电安全无虑。

USB PD供电将会影响的灯具类型

1、台灯

目前5W以内的台灯，已是一面倒向USB供电方式。小型台灯、携带型USB充电台灯与无线充电的台灯早已在市场上流通，而有了USB PD供电后, 台灯电压可以突破5W，做出更多更大、更亮、功能更多的台灯产品。

2、落地灯

传统的落地灯多为100W～200W的金卤灯，以LED替代金卤灯光源，需要30W～50W功率，必须用AC插头供电。以USB PD的供电，足以应对50W内的需要，更容易控制LED光的亮度与色温，更能显现LED光源的优势。对于灯具制造商而言，引用了合乎安规的USB PD供电器后，灯具就不需要做UL、TUV、ETL等AC高压的认证，在产品设计和生产上都更加简化。

3、轨道灯

轨道灯对于驱动器的体积要求更为苛刻。自2019年来磁吸式的低电压供电的轨道灯成为设计主流，为的就是LED驱动电源体积极小化的市场需要。用USB PD 的20V作为轨道灯的供电，不失为最好的选择。

4、软灯带

软灯带的用电，通用规格为12V或24V。软灯带供电来自于AC适配器，将交流电的220V转换成直流12V或24V，常用容量为50W～150W。适配器体积庞大是痛点，同样容量USB PD的体积是传统适配器的1/3以内，价格基本相同。

5、露营灯

传统的露营充电装置，充电来自于汽车的点烟器，规格为12V/10A，且体积庞大，2019年后在低瓦数市场已被充电宝的USB Type-A分去了部分市场份额。未来USB PD规格的灯具，可以轻易做到20W以上，为家庭聚会的野外活动提供充足的照明。USB PD户外灯+ USB PD充电宝是一个理想组合，或是直接做成USB PD充电露营灯，替代现在的铅酸电池的露营灯产品。

6、庭院灯

庭院灯的供电是AC12V或DC15V。这是美国西屋电器所制定的规格，容量约在80W～100W间，使用传统AC降压变压器。体积庞大，售价贵。USB-PD的供电容量，在100W内的规格，足以替代原来的变压器，提供DC15V电源给庭园灯，重点是价格还低过AC变压器20%以上。

总结

选用LED灯具的供电器一直追求高效率、安全、通用、经济化的原则。USB PD现在的规范完全符合上述的要求。USB PD源自于IT产业的规范体系，已经发展了16年，对于LED照明产品的创新是一个安全稳定的技术来源。

USB PD 的供电产品，除了本身的高效率、可适用性高以外，产品本身就自带了3C、UL等的安规认证。灯具使用USB  PD供电后，只需要做低压产品与电磁干扰的自我认证即可。对于产品多样性的创新，缩短开发时间帮助极大。

USB PD 基于第三代半导体氮化镓的器件优势，在体积上是传统的产品的1/3，电力转换效率大于传统产品的90%，价格上目前已经低于传统器件，而且是更环保的产品。

笔者乐观的预见，未来的几年内，用户自行插AC取电的照明产品，都可能会选用安全、高效、环保、经济的USD PD供电装置。