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因应USB PD充电规格 电脑周边供电应用设计

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新版USB PD最高可支持100W电力输出,规格扩展有利支持大功率设备连接取电用途。USB IF
新版USB PD最高可支持100W电力输出,规格扩展有利支持大功率设备连接取电用途。USB IF

USB PD规格针对实际应用需求做了许多设计调整,包含在功能追加认证机制以改善供电方设备与取电方装置的互通性与兼容性,USB PD新版规格结合USB Type-C连接器发展更健全的充电应用,不仅让USB界面充电/供电应用更趋实用、便利,也成为新时代移动设备热门电源设计方案。

USB PD(Power Delivery)将新版标准列入认证(Authentication)规格后,由于新一代USB PD已明确定义周边装置的连接规格与电气规格要求,透过常规认证亦可提升支持USB PD供电方与受电方两侧设备的兼容性与互通性,对于提升设备安全与用户使用体验均有正面助益,甚至追加USB Type-C新一代界面整合,也可正面促进USB PD界面设备生态系产品发展。

USB PD(Power Delivery)供电规格。数据来源:USB Implementers Forum

USB PD(Power Delivery)供电规格。数据来源:USB Implementers Forum

支持USB Type-C新界面的装置越来越多,增USB PD规格后,将可增USB界面电力传输应用范畴。ANKER

支持USB Type-C新界面的装置越来越多,增USB PD规格后,将可增USB界面电力传输应用范畴。ANKER

USB Type-C连接器接脚定义,除因应高速传输所需的数据传输脚位,连接器与对应缆线设计复杂度增加。USB IF

USB Type-C连接器接脚定义,除因应高速传输所需的数据传输脚位,连接器与对应缆线设计复杂度增加。USB IF

移动设备电力需求增  内建电池容量越来越高

移动设备设计主流,以更高效能、更大显示屏、更多功能整合驱动产品更新,新一代产品为了提供更优异的功能,大多选择搭载超过3,000mAh甚至5,000mAh等级的锂电池,大容量电池虽可有效提升整合大量新功能、高端元件的设备电力需求,但实际上也会因此导致设备充电时间过久;另一方面电脑周边虽以USB界面一统常用数据传输界面,但受限早期USB界面传输电压、电流规格限制,也让USB供电特色在因应大电力设备的实用性受限,导致设备周边不仅需数据传输线材,也需要额外配置专属变压器,不仅增加成本,低价交换式电源产生的能源转换消耗也形成无谓的浪费。

USB 3.0推广小组(Promoter Group)成员包含HP、Intel、Microsoft、Renesas Electronics、Texas Instruments与及STMicroelectronics。USB 3.0推广小组除维护与延伸、强化USB 3.0应用规格外,同时也提出USB PD、USB Type-C等扩展应用规格,透过新规格支持更多平台或更新颖的产品使用情境,其中,USB PD规格正是为了改善前述问题推出的电力输送Power Delivery规格标准,只要遵循USB PD新规格设计,透过USB传输界面与线材就能达到高速数据传输兼具高达100W电力输送双用途,改善周边连接应用使用体验。

在USB 3.0推广小组发布USB Type-C连接器认证规格、并在最新USB PD标准中加入新界面功能,预期通讯序列汇流排电力传输产品应用将大幅增温,因应USB PD标准对应的矽智财(IP)、解决方案也会越来越多。

USB搭配认证协议  提升设备充电应用安全与效能

检视USB Type-C认证协定定义,会发现USB Type-C充电器与对应装置的认证机制,为以口令为基础的认证协定,透过主设备(Host;供电方)当在USB装置、充电器进行接入,即完成装置类型/最大电力需求与设备认证状态,而设备验证与认证机制会于周边连接至主机即同步完成,除可确认周边合宜的供电请求,也能避免用电方(周边设备)向主控设备索求不正确的电力需求或是验证周边状态数据。

基本上USB界面已是PC、NB、移动设备公认通用的传输界面选项,而在USB PD规格释出,除能让USB界面扩展电力传输应用的实用表现,同时为了支持新一代USB Type-C界面的应用生态系统,也必须搭配一致性的验证方案进行设备与线材的兼容验证,避免不良的设备或线材,甚至是不符合标准的USB充电器,影响新一代USB PD应用的产品扩展与使用体验。

USB Type-C界面搭配USB PD  维持高效传输同时提升充电效能

而在最新版的USB PD规格中,已经支持供电方、受电方与传输线材的相关认证功能,使USB Type-C界面和Type-C缆线能经由USB PD通讯传输界面交换设备与线材的认证信息,至于新的USB Type-C桥接(Bridging)的支持规格,则可经由USB界面数据汇流排进行设备数据交换,同时提供将数据桥接至USB PD或自USB PD桥接数据的使用需求,而USB Type-C界面桥接则可让USB主控端能经由USB PD界面搭配USB集线器(Hub)之下行界面(Downstream Port)进行通讯程序,同时维持原有USB界面的相关功能。

目前USB PD已有多家业者抢推主控芯片、参考设计,例如Renesas Electronics即将其经过验证的微控制器搭配先进供电技术,开发出多组USB PD参考设计与解决方案,透过针对USB PD优化的参考设计可以让装置开发业者缩短产品设计时程,设计出更趋完备、更安全的USB PD支持功能产品。

另一家Maxim Integrated半导体业者,看准USB PD智能供电输出的电力控制芯片需求,推出可支持5V~20V宽电压范围之低静态电流降压转换器元器件,简化USB PD与USB Type-C界面整合产品的供电设计开发需求。除半导体业者积极抢食USB PD市场商机外,测试设备、解决方案也纷纷推出,因应新一代USB PD产品衍生的测试需求。Ellisys分析仪制造商即宣布将在Ellisys Explorer 350测试平台中的分析套件追加USB PD 3.0测试支持规格,其他主流测试仪器业者也纷纷跟进新一代测试标准、并提供对应之解决方案。

USB PD规格高达100W电力输出  扩展电力驱动周边应用

由于USB PD规格可支持高达100W功率的电力传输,可为传统USB界面带来极显着的规格提升,甚至如LCD显示器、打印机、扫描仪等大电力周边设备也可在导入USB PD界面支持后,仅使用单一界面传输线便可取代信息、电力传输双重需求。然而,最新的USB PD规格变化下相当多,如进阶电池管理、传输、充电协议的最佳化等,与用于主控设备、外接设备、传输线材等认证安全指令,已大幅增加原有USB界面设计的系统复杂度。

新版USB PD标准加入认证规格,也能进一步改善现有USB Type-C连接器、传输缆线与USB PD新规格应用的兼容性差,避免用户因为使用不合标准规范的设备与线材,导致用户体验不佳甚至出现设备毁损的情况,然而对应新标准提出,包含USB PD对应的矽智财、芯片、解决方案、参考设计与分析仪器等业者,也纷纷推出方案因应,推动USB Type-C、USB PD进阶应用加速渗透应用市场。

由于USB PD规格优化持续进行,为了能因应最新标准进行产品优化,也有业者发展更具弹性的开发解决方案,因为在规格变动较大的技术发展初期,往往会因为相关技术规格持续演进而导致原始设备的制造商,在规划或是导入新技术至产品中出现极大的挑战,因为只要规格一异动,等于相关设计与产品兼容度改善就会造成极大的负荷,对此,芯片业者即以可程序化(Programmable)的解决方案与对应开发工具、参考设计,减低新技术或新规格导入可能在开发段产生的后续维护更新疑虑,而在USB PD产品设计方向亦同,芯片商也有推出整合可程序化的芯片解决方案,提供初期设备制造商迅速适应最新规格、技术要求的开发弹性,令整合新技术的终端产品得以加速上市时程。

USB界面已成设计主流  新界面应用导入速度加速

然而,相较以往USB 1.X至2.X、甚至是3.X的界面标准规格升级,早期较常见的在新规格进入市场的转换时间原本自数年加速至仅需数个月,就能在市场上找到对应的设备或是新产品,新技术在市场渗透速度可以说是呈现倍速增长,加上USB PD的发展方向与规格释出稳定,从原本对应规划的标准电压(Normative Voltage)规格设定,由5V、9V、12V、20V改成5V、9V、15V、20V,后续另有针对USB PD追加认证(Authentication)进阶规格,除此之外近期较无可能出现大幅的规格异动,但对芯片解决方案而言,仍以较具弹性的可程序化解决方案选项较佳,才能因应新进规格的小幅异动或调整。

即便目前采行USB PD规格的电脑设备不多,但实际上在2016年中、高端电脑设备已纷纷将USB Type-C界面列入支持规格,在手机或智能设备方面,新款高端产品也纷纷导入Type-C界面与对应缆线,尤其是Type-C连接器与缆线成本持续压缩,而在USB Type-C界面、缆线与USB PD规格支持方面,业界一般也评估以手机大量搭载后可以快速驱动相关导入成本逐步压缩,相关界面导入的动能也以智能手机的需求最为强劲,此现象亦可改善初期USB PD解决方案成本较高问题。

USB PD安全性仍是厂商关注焦点  初期以中功率电力设备支持为主

另一个较令开发商忧心的重点在于,由于USB Type-C搭配USB PD等于可以透过该界面输出达100W电力,在高电压与大电流使用情境下,充电或是驱动大电力设备的安全性则必须慎重看待与处理,在装置故障发生时不是仅无法使用问题,而是可能出现烧毁、冒烟甚至酿灾,针对此电源解决方案的电力传输(Power Delivery;PD)控制器安全设计就相当重要,一般会在设备接入后进行界面、线材、终端设备的交互授权与认证机制,确认终端可接受的电力传输模式,透过装置互连时先在终端设备显示弹出视窗,由用户决定是否以对应最高功率进行电力传输,增加设备使用安全意识。

但在初期电力传输应用方面,由于USB PD极限输出最大值100W在安全疑虑较高,多数终端设备开发业者多半仅会锁定可提升充电效能方向着手,业界评估应会以实现60W以内的中间电力输出功率支持为主,较不会贸然直接提供高达100W的高额电力输出支持,在实用性与安全性取得均衡的折衷设计。


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