徹底發揮新介面靈活性能 USB-C周邊智慧化設計見真章

USB-C在消費性電子裝置的滲透率逐年攀升,帶動高速傳輸應用的發展,其終端裝置充電、安全與效能的使用仍備受關注,特別是充電產生的安全疑慮,本文將討論USB PD規範的可程式設計電源供應如何解決終端裝置充電問題。

 

USB Type-C(USB-C)擁有高度擴展之技術可塑性,同時整合了資料、影像和電源的介面,外型輕薄,傳輸速度相較現行USB Micro-B大幅提升,在此優勢之下,替換既有的各種傳統USB介面之產品並非難事。搭配USB PD(USB Power Delivery)規格,足以涵蓋日常生活中消費性電子產品之功耗,USB PD已成為新一代行動裝置的功率傳輸規格。

在Android手機陣營,USB Type-C介面普及化,關於手機充電,安全與效能仍是使用上的重要課題。使用非原廠充電器,倘若遇到充電無反應、無法快充、手機發燙,甚至導致手機或電池爆炸,都時有耳聞。手機高壓充電與內部降壓所產生之發熱問題,以往是難解之題,此困境如今都可以透過USB PD規範的可程式設計電源供應(Programmable Power Supply, PPS)解決。

PPS規格通常用於行動裝置的低壓大電流直充解決方案,可調整電壓幅度20mV/step,電流幅度50mA/step,其優勢為可避開恆流機制所帶來的輸出電壓劇烈波動,上述劇烈波動不利於手機內部Bypass迴路管理及晶片組的供電安全。PPS規格正逐漸成為智慧手機的快速充電主流規範,提供快速且安全充電。為使充電安全無慮,USB-IF協會(以下簡稱USB-IF)在認證USB PD充電器之測試規格相當嚴謹,以下列出測試相關儀器與項目(表1)。

USB-IF為了確保市面上流通之產品皆符合規格,為硬體供應商制定了一套合理且必要的評估標準Compliance Program,通過測試之產品,將可被加入Integrator List,並取得使用USB認證標誌的使用權利。目前已有廠商,如威鋒電子的USB PD協定晶片VP302已獲得PD 3.0認證,也是USB-IF的KGS(Known Good PD Source)標準測試品(圖1)。各製造商之產品欲取得USB-IF認證,需通過有威鋒VP302 KGS的相容測項。VP302支援USB PD 3.0 PPS規格,同時支援高通(Qualcomm)Quick Charge 4或Quick Charge 4+快速充電規格,適用於USB Type-C電源供電端應用。威鋒電子與美國知名電子元件供應商PI(Power Integrations)合作,VP302搭配PI InnoSwitch-3 Pro系列,可大量縮減充電器周邊零件,提供極小體積的充電器設計,並完整支援USB PD 3.0 PPS全系列15W/18W/20W/27W/45W/60W/100W參考設計,最終成品小巧便攜,適用現行市面上各種充電模式。

圖1  USB-IF協會認證KGS標準測試品

USB Type-C多埠充電器穿針引線

隨著行動裝置逐漸採用USB Type-C介面,使用者亦追求簡單且便攜的充電器,多埠充電器因而愈發重要。目前市面上的USB Type-C多埠充電器,依據使用場景不同,僅能做到簡易的固定電源分配,如下舉例:

・65W雙埠充電器

若僅使用第一埠最高輸出可達65W;若僅使用第二埠最高輸出可達18W;若同時使用雙埠充電時,則固定分配為第一埠最高輸出45W,另一埠則為18W。

・60W雙埠充電器

若僅使用單埠可充電60W;若雙埠同時充電時,則將電源輸出平均分配至兩埠各30W。

上述電源分配雖然簡單易懂,但有所不足。當雙埠同時充電時,其一裝置電池電量接近充飽時,進入涓流狀態,以低速並恆定對電池提供極小的充電電流;此時,另一埠仍配給固定的電流充電,無法動態挹注多餘電源,難以充分利用電源。

因此USB PD協定晶片需具備動態智慧電源管理功能,更有效率地分配電流輸出。威鋒USB PD協定晶片的動態智慧電源管理有兩大特色:其一內建MCU,可由其外部SPI Flash,根據不同的產品規格,進行韌體客製與更新,可記憶特殊充電瓦數的裝置,依其所需提供電流。如市面上有充電瓦數不可低於45W的特殊筆電機種,USB PD協定晶片可透過辨識其Vendor ID與Product ID,滿足其客製需求。

另一特色為即時偵測充電電流,當雙埠充電時,倘若其中一個裝置已進入涓流狀態,USB PD協定晶片可將多餘的充電電源,動態分配至另一埠,發揮其最大的充電效益。例如,使用60W雙埠充電器,若雙埠同時充電、且接入的裝置皆無特殊要求,會以兩埠平均分配各30W。若接入要求充電瓦數至少45W的筆電,USB PD協定晶片則會聰明分配一埠為筆電所需求的45W,而另一埠則為15W,待筆電充電即將完成時,進入涓流狀態,USB PD協定晶片亦動態調整其充電電源從45W下調至10W,將多餘的35W轉移至另一埠,調整成為10W與50W;若雙埠的裝置皆進入涓流狀態,即調回原設定各30W,相比於目前市面上其他多埠充電解決方案,可說是極具特殊性的設計。

圖2  充電/耳機盲插轉接器

此外,USB PD協定晶片支援智慧自動待機功能,當接上的設備處於無動作狀態時,立即進入深度節能模式,為市場上首見高效率且達到智慧的充電晶片方案。

USB Type-C帶來便利,然而裝置汰換期間,難免有無法兼顧的過渡問題。為節省空間並加強手機防水功能,手機品牌業者陸續移除3.5mm耳機孔,手機僅配置唯一USB Type-C埠,消費者無法同時使用耳機並為手機充電。為解決此困擾,兼顧此兩種使用者習慣的轉接器應運而生。

現已有廠商,如威鋒電子推出VL10X系列解決方案,可簡易設計為USB Type-C埠及3.5mm耳機孔並存的轉接器;也可設計為兩個下行USB Type-C埠任意支援充電與USB Type-C數位耳機,實現盲插功能,同時支援華為快速充電模式(Fast Charger Protocol, FCP)與超級充電模式(Super Charger Protocol, SCP)以及高通快充模式(Quick Charge, QC)(圖2);威鋒DisplayPort替代模式USB PD控制晶片,同時整合一個上行USB Type-C埠與兩個下行USB Type-C埠,兩下行埠皆支援裝置充電與耳機使用,實現任意插拔(盲插)功能,提升用戶使用經驗,大幅降低PCB尺寸,裝置設計因此有更多變化(圖3)。該晶片有業界首創擴充電源功能(Charger Extender),依據上行埠接入裝置不同,讓USB Type-C轉接器或擴充底座輕鬆對筆電、手機、行動電源、藍牙耳機等「帶電池裝置」同時充電。此外,DisplayPort替代模式USB PD控制晶片另一項突破,則是支援獨家的「自動休眠模式」,透過演算法判斷,當與該晶片有連接的相關介面暫無資料傳輸,計時器等候達到預設值,隨即進入自動休眠模式,只留下最少的功能區塊以最慢的頻率運作,此時功耗可低至約1mA。以USB PD協定的特性,通常只有介面連接之初,才有頻繁的資料傳輸,之後就是長時間的無資料傳輸(圖4)。因此DisplayPort替代模式USB PD控制晶片支援自動休眠模式的技術,協助產品展現極佳的節能優勢,也方便使用者充分利用其手邊現有的充電器。

圖3  多功能多埠可盲插轉接器
圖3  多功能多埠可盲插轉接器

智慧型手機,從高階旗艦款至一般價格款,幾乎全面採用USB Type-C,滲透率普及至所有Android系列,更延伸至平板及更多3C裝置,透過轉接器或擴充底座,使用者可將手機做為桌機應用;而手機遊戲與線上影音產業蓬勃發展,投屏需求也日益攀升,只要善於利用USB集線器,選擇搭配DP Alt-mode控制晶片、USB PD控制晶片,可將充電、高速傳輸、HDMI功能完美結合,無論何時何地,使用者皆能透過USB Type-C享受擴充的便利。

身處現今4G網路時代,從網路搜尋、影音網站進展至串流平台,使用者習慣帶動數位轉型,為市場帶來巨大的改變。自YouTube、土豆網等影音網站,到Netflix、Spotify等影音APP,網路科技曾重創影音產業,如今也因網路科技搭配硬體裝置重整了影音產業。根據2019年全球音樂市場市調機構IFPI報告指出,全球對串流音樂平台的參與度相較2018年提高8%,使用者願意以各種形式接觸影音,業者也積極以多樣化平台催化市場。根據高盛預測,2030年的音樂產業營收將因線上串流倍增,並將寫下突破千億美元的紀錄。USB-IF協會發表USB4規格,日後僅需使用一條USB Type-C連接線,即可相容Thunderbolt和DisplayPort產品,數據與影像傳輸便利度大幅提升,開啟未來更多影音選擇與可能。

多元應用高速需求日增 USB4普及指日可待

USB4將是技術的突破契機與挑戰,除了技術架構與傳統USB的差異,更需要思忖未來應用場景的樣貌。2019年9月,協會已發表USB4規格,USB將擁抱更多規格且僅限相容USB Type-C介面。

隨著科技突破、手機處理器效能增強,今日手機逐漸取代桌機多數功能,是為日常不可或缺的電子產品。品牌在需求中找尋商機,擴展手機應用,例如虛擬實境VR,從厚重頭盔搭配電腦主機演化至今,能以智慧型手機搭配VR眼鏡,裝置的輕巧便利化,搭配手機營造出人人都有可攜式口袋電腦的氛圍,可期待VR普及化的機會來臨,更讓業者期待5G拓展影音帶來的各種新機會,網路帶動傳輸速度需求攀升,亦有助USB Type-C周邊應用高速成長。

 

(本文作者皆任職於威鋒電子)

 

 

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