USB-C和无线充电带来的充电技术变革

作者 / 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑(北京 100036)

摘要：介绍了当前部分USB-C及无线充电技术的发展及相关解决方案。

　　近两年，随着数据传输量的不断增大，以及笔记本、平板、手机等主流硬件的不断革新，对数据传输的方式、速度、接口厚度等方面提出了更高的要求，相关传输协议也得以进一步发展，因而也有了当下诸多厂商共推的USB Type-C(也称USB-C)及无线充电相关标准。

USB-C

USB-C概念述及Cypress的方案

　　USB-C的高集成度

　　USB-C型接口由USB-IF组织制定，早在2014年就得到了包括苹果、谷歌、英特尔等厂商认可，相继在2015年推出相关产品。相较各类传统USB接口，USB-C具有小尺寸、高集成度、使用方便的优秀特性。其中，高集成度是指USB-C 接口集数据传输、供电和视频为一体。

　　在USB-C中对数据和供电定义了3种角色，分别是DRP(Dual-Role-Port，双向接口)、 DFP(Downstream Facing Port，数据下行接口)、UFP(Upstream Facing Port，数据上行接口)，同时还保留了Power Source/ Sink 的概念。

　　USB-C将数据角色和供电角色进行了分离，意味着一个端口数据和供电的方向可以相同也可以相反。USB PD协议让端口的两种身份(数据和供电)可以自由组合，即一个端口可以是数据的主机，电源上却做受电角色。而传统的USB，数据和供电的身份是绑定的。这样给应用带来很大的灵活性。

　　IHS预计2019年基于USB-C的设备出货量将超过20亿个，占40%的USB总市场容量(TAM)。据ABI Research，到2020年约一半的智能手机和93%的笔记本电脑将含USB-C互联。

　　USB-C一共支持三种协议，从新到旧分别是 Thunderbolt 3、USB 3.1/3.0 和 USB 2.0。支持高级协议的设备(包括 USB-C 母口硬件产品和公口数据线)，均可以前向兼容;仅支持低级协议的设备，不能后向兼容。我们在市面上看到的大部分 USB-C 设备，包括带有 USB-C 母口的电脑、平板、移动硬盘或手机以及 USB-C 公口的数据线，大多数是 USB 3.1 的。

　　USB-C在手机市场将全面普及

　　USB-C集USB数据、视频以及充电于一个端口，通过角色定义可以把数据和供电方向分别定义，支持正反插，接口非常小，这些特点使得USB-C在短期内引爆全球PC和手机市场。从已经发布的产品来看，所有的主流PC品牌，包括Apple、HP、DELL、Lenovo每年都有数十个笔记本型号支持USB-C，周边的设备包括dongle(适配器)、Dock(扩展坞)、cable(线缆)等也在全面发力，不断有USB-C新产品推出;手机市场上，iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X、Moto Z等很多新产品也支持USB PD。2017年Qualcomm宣布QC4.0充电标准，该标准兼容USB PD3.0的快充协议。这为全功能的USB-C在手机市场上广泛普及铺平了道路。预计基于QC4.0 的手机2018年将会在国内上市。

　　USB-C在手机市场上的全面普及，将是2018年的新亮点。带有PD 功能的USB-C应用在手机上，将给消费者带来前所未有的体验：统一的USB-C接口，PPS(Programmable Power Supply，可编程电源)快速而安全地充电，全球不同品牌的充电器会在PD协议的基础上实现通用，提供安全的充电功能。如果加入Display Port(DP)功能，还可以把手机的视频信号通过USB-C直接输出到外围显示设备。

　　USB-C技术方面， USB PD3.0定义的PPS充电，即所谓的“直充”技术，将会是一个新宠。它支持3 V到11 V的直充(无需升压)，步进电压阶梯为20 mV。 很多充电器厂商都在研发满足新的PD3.0 (QC4.0) 标准的充电器。基于这一技术，移动电源也会有大量新的设计。

　　Cypress 的USB C系列产品——CCGx

　　Cypress 所有的产品都带有PD功能，涵盖主机(包括PC和手机)、线缆、Dock、Dongle、充电器和移动电源在内的各类应用领域。Cypress的USB-C产品代号为CCGx。从最早的CCG1 到现在的CCG5， 以及专门为充电应用而设计的CCG3PA，所有芯片都已被大客户的量产产品验证。其中：

　　1)主机host设计可以采用CCG2、CCG3、CCG4、CCG5;

　　2)Cable 包括雷电Cable，可以采用CCG2、CCG3;

　　3)Dongle 和Dock可以选择CCG2、CCG3、CCG3、CCG5;

　　4)充电器、移动电源，以及各类和充电相关的应用产品可以选CCG3PA。

USB-C最新发展动向

　　关于USB-C技术，我们看到以下4个主要发展动向：

　　1)USB供电(PD)标准的最新版本增加了可编程电源(PPS)功能。这简化了实施各种高速充电和供电方案的系统要求和成本。连接器现存的较高电压也推动了新器件需保护敏感的高速数据线免受潜在破坏性条件影响的需求。

　　2)USB-A连接器一直是一些有限功率和经常充电的数据解决方案。USB-C连接器提供的更高功率和数据功能使其成为广泛应用的电源和数据链路。我们看到许多终端产品(包括智能手机、移动配件、笔记本电脑、USB集线器和扩展坞)迅速采用了USB-C连接器。 自然效应是工程师正在寻找经过优化用于特定应用的接口方案。这个仅一个器件用于所有应用的方法正在迅速变化 。

　　3) 另一重要的趋势是汽车USB-C，我们看到很多的新设计开始用于汽车。

　　4)数据速率正在迅速增快。 最新的USB SuperSpeed设备将使用两条SuperSpeed线以高达20 GB/s的速度工作。这增加了可以使用一个USB-C接口的应用数量。现代化的笔记本电脑扩展坞正迅速转变为一个小型的USB集线器，为所有与平板电脑/笔记本电脑相连接的设备提供电源和数据。提供电源和数据的单个插头设备正在改进用户体验和工业设计。

　　安森美USB-C产品

　　针对各种发展动向，安森美半导体正在快速扩增完整的USB接口方案组合。 最近增加的包括汽车方案(FUSB302BV)、非微控制器接口(FUSB303)、USB-PD-PPS控制器(FUSB307)、多引脚高压保护(FSUSB242)等。 安森美半导体还提供多种新型高速方案，包括ESD保护和多路复用器和转接驱动器，以提高信号质量。此外还提供应用于充电宝的同类优秀的集成方案，符合最新的USB-C及USB PD规格。

无线充电

　　现阶段无线充电存在四种不同的商用技术：电磁感应技术、无线电波技术、电磁共振技术、电场耦合技术，而主要用在手机无线充电的技术是电磁感应技术和电磁共振技术。同时，在家电及电动汽车上，无线充电也有比较广阔的前景。

　　无线充电接收器将同时支持WPC 和Airfuel技术

　　电感充电技术依然是主流的无线充电技术，其主要采用无线充电联盟Qi标准，意法半导体很早就加入了这个标准组织。无线充电器分为给穿戴设备充电的低功率充电器，给手机、平板、笔记本，甚至汽车充电的大功率充电器。智能手机依然是无线充电技术的主流目标应用，同时智能手机还吸引更多的消费电子产品采用Qi标准。

　　WPC/Qi联盟成员的数量增加到421家公司，意法半导体也参与了包括Airfuel(谐振充电)在内的充电标准技术的研发。其中，Airfuel联盟专注的是谐振式无线充电技术，用户体验相对来说更好。未来的接收器解决方案将同时支持WPC和Airfuel充电技术。

　　意法半导体的发射器芯片STWBC-EP支持Qi Extended Power(15 W)，给智能手机和平板充电更快。STWLC33JR是一个15 W的多模Qi/AirFuel电磁感应式无线充电接收器芯片，拥有 Qi和Airfuel联盟的认证，既可以是发射端芯片，也可以是接收端芯片，用寄存器配置收发模式，外部用相同的线圈。

　　参考文献：

　　[1]谭胜淋.浅谈工业无线技术标准与认证及其应用[J].电子产品世界,2016(2-3):30-33.

　　[2]魏佳.解密USB-C升压-降压电池充电[J].电子产品世界,2016(7):25-27.

　　[3]Meng He.无线充电技术的发展历路[J].电子产品世界,2016(7):28-30.

　　[4]温梓慎,崔玉龙,范好亮.自变模无线电能传输全数字锁相环[J].电子产品世界,2017(6):58-61.

　　[5]焦来磊,荆蕾.电动汽车无线充电系统设计方法研究[J].电子产品世界,2017(7):51-54.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第3期第22页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。