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USB-PD取代平板电源接口实现大功率充电的设计资料下载
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2021-04-06
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通用序列汇流排电力传输(USB-PD)标準演变，将掀起新一波 USB应用革命。USB在资料传输方面早已成为业界普遍採用的标準协定，而随着更高传输速率的USB 3.0规格问世，更进一步增进其音讯/视讯传输应用的价值。目前已有许多扩充基座(Docking Station)导入USB 3.0方案，仅利用单一USB 3.0连接线就能同步支援两个1080p显示器、Gigabit乙太网路(Ethernet)，以及多个USB 3.0和USB 2.0接口，可用于连接设备，环绕立体声音响，麦克风输入，甚至手机充电功能。由于各种行动运算装置设计持续朝更轻、更薄的结构演进，因此对缩减传输介面占位空间的需求也更加殷切。为使下世代平板装置和超轻薄笔电 (Ultrabook)更贴近市场需求，相关设计人员正积极投入研发USB 3.0方案，期透过单一接口延展出更多的输入/输出(I/O)介面，甚至能进一步支援更大功率的充电规格，以同步满足用户对平板或笔电的可携性和可扩展性 要求。目前Windows 8平板装置大多只容纳一个USB 3.0接口，以及一个负责影像传输的接口，再藉由USB 3.0扩充基座提供用户额外连接需求;传统个人电脑(PC)常见的读卡器、乙太网路，以及键盘和滑鼠的连接埠皆已陆续被製造商移除。下一阶段，USB- IF协会正酝酿以USB-PD规范，进一步取代各种电子装置的电源接口(图1)。扩增大功率充电规范USB-PD应用潜力爆发USB 3.0扩充基座几乎可支援所有传统I/O接口，包括资料同步、音讯/视讯传输等，但仍缺乏中大功率的充电能力，无法为一般笔电、Ultrabook及平板 提供电力。也因此，USB-IF协会遂将供电技术视为拓展USB应用的布局重点，并于近期发布新的USB-PD规范，将USB功率标準配置由10瓦(W) 提升到100瓦，让USB成为全方位的装置对外连接解决方案。传统的USB充电架构基于主控端(Host)与设备端(Device)连接模式，由主控端负责向设备端供电，因而增加主控端系统功耗。尤其USB 2.0和USB 3.0因应多元、高速传输需求，分别将功率拉升至500毫安培(mA)、900毫安培，可能产生更严重的系统功耗，将与当前Ultrabook、 Windows 8平板的设计理念相互衝突;况且，即便USB装置端自带电源也无法向主控端供电。为改进上述不合时宜的USB充电架构，USB-PD标準新增一个机制，让主控端及装置端可互相供电，这意味着主机仍可做为主要的USB传输电力来源，但装置端亦可提供主机电源，以减轻USB主机在执行大量资讯传递或影音同步任务时的耗电量。与此同时，USB-PD也扩展USB充电电压选项，除既有的5伏特(V)规格外，还加入12伏特和20伏特，在USB介面可承受最高5安培电流的前提下，目前可提供的最大功率为100瓦，并可由设计者灵活调配10、18、36和60瓦解决方案。USB-PD牵动系统设计转变随着USB-PD打破既有充电电压限制，笔电、平板製造商均可依产品需求设计不同的供电方案，如笔电一般使用20伏特充电，而平板或其他USB连接 器则可使用12伏特方案。然而，电子装置要导入新一代USB-PD规格，须採用新的缆线和连接器，并通过相关的安全性和协定测试。主要是考量USB升级至 中大功率充电后，传统缆线无法完全满足USB-PD的电压/电流额定值，且对装置内部电路和用户使用安全将带来一定程度的影响，所以未来USB缆线和连接 器均须增加ID接脚，以提升电路保护功能。此外，USB-PD连接器还须向下相容，以支援现有的USB产品。对于电源供应解决方案业者而言，发展USB-PD的技术挑战还包括周边元件的选用，并须考量电力供应和消耗两个面向，因应5、12和20伏特电压或不同的电流规格，投入更多软硬体研发资源，以改良现有USB介面的5伏特VBus电源线，提高支援电压等级至12或20伏特。无庸置疑，USB-PD产品能否问世的关键，就在于负责电源讯号通讯的USB VBus设计。新控制方案须达到够高的频率，以免影响传统USB设备，且须搭配符合USB-PD协定的缆线与连接器，才能真正实现中大功率USB充电应 用。现阶段，包括威锋电子等USB 3.0晶片商已纷纷投入开发USB-PD方案，将协助系统厂打造充电、资料传输、乙太网路及影音同步连结等功能一应俱全的USB扩充基座，抢攻 Ultrabook、平板周边装置的市场商机。(mbbeetchina)
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