USB—C和無線充電帶來的充電技術變革

王瑩 王金旺

摘要：介紹了當前部分USB-C及無線充電技術的發展及相關解決方案。

關鍵詞：USB-C；無線充電；Qi； Airfuel

近兩年，隨著數據傳輸量的不斷增大，以及筆記本、平板、手機等主流硬件的不斷革新，對數據傳輸的方式、速度、接口厚度等方面提出了更高的要求，相關傳輸協議也得以進一步發展，因而也有了當下諸多廠商共推的USB Type-C（也稱USB-C）及無線充電相關標準。

USB-C

USB-C概念述及CVPress的方案

USB-C的高集成度

USB-C型接口由USB-IF組織制定，早在2014年就得到了包括蘋果、谷歌、英特爾等廠商認可，相繼在2015年推出相關產品。相較各類傳統USB接口，USB-C具有小尺寸、高集成度、使用方便的優秀特性。其中，高集成度是指USB-C接口集數據傳輸、供電和視頻為一體。

在USB-C中對數據和供電定義了3種角色，分別是DRP（Dual-Role-Port，雙向接口）、DFP（Downstream Facing Port，數據下行接口）、UFP（Upstream Facing Port，數據上行接口），同時還保留了Power Source/ Sink的概念。

USB-C將數據角色和供電角色進行了分離，意味著一個端口數據和供電的方向可以相同也可以相反。USB PD協議讓端口的兩種身份（數據和供電）可以自由組合，即一個端口可以是數據的主機，電源上卻做受電角色。而傳統的USB，數據和供電的身份是綁定的。這樣給應用帶來很大的靈活性。

IHS預計2019年基于USB-C的設備出貨量將超過20億個，占40%的USB總市場容量（TAM）。據ABIResearch，到2020年約一半的智能手機和93%的筆記本電腦將含USB-C互聯。

USB-C-共支持三種協議，從新到舊分別是Thunderbolt 3、USB3.1/3.O和USB 2.0。支持高級協議的設備（包括USB-C母口硬件產品和公口數據線），均可以前向兼容；僅支持低級協議的設備，不能后向兼容。我們在市面上看到的大部分USB-C設備，包括帶有USB-C母口的電腦、平板、移動硬盤或手機以及USB-C公口的數據線，大多數是USB 3.1的。

USB-C在手機市場將全面普及

USB-C集USB數據、視頻以及充電于一個端口，通過角色定義可以把數據和供電方向分別定義，支持正反插，接口非常小，這些特點使得USB-C在短期內引爆全球PC和手機市場。從已經發布的產品來看，所有的主流PC品牌，包括Apple、HP、DELL、Lenovo每年都有數十個筆記本型號支持USB-C，周邊的設備包括dongle（適配器）、Dock（擴展塢）、cable（線纜）等也在全面發力，不斷有USB-C新產品推出；手機市場上，iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X、Moto Z等很多新產品也支持USB PD。2017年Qualcomm宣布QC4.0充電標準，該標準兼容USB PD3.0的快充協議。這為全功能的USB-C在手機市場上廣泛普及鋪平了道路。預計基于QC4.0的手機2018年將會在國內上市。

USB-C在手機市場上的全面普及，將是201 8年的新亮點。帶有PD功能的USB-C應用在手機上，將給消費者帶來前所未有的體驗：統一的USB-C接口，PPS（Programmable Power Supply，可編程電源）快速而安全地充電，全球不同品牌的充電器會在PD協議的基礎上實現通用，提供安全的充電功能。如果加入Display Port（DP）功能，還可以把手機的視頻信號通過USB-C直接輸出到外圍顯示設備。

USB-C技術方面，USB PD3.0定義的PPS充電，即所謂的“直充”技術，將會是一個新寵。它支持3V到11 V的直充（無需升壓），步進電壓階梯為20 mV。很多充電器廠商都在研發滿足新的PD3.O（QC4.0）標準的充電器。基于這一技術，移動電源也會有大量新的設計。

Cypress的USB C系列產品——CCGx

Cypress所有的產品都帶有PD功能，涵蓋主機（包括PC和手機）、線纜、Dock、Dongle、充電器和移動電源在內的各類應用領域。Cypress的USB-C產品代號為CCGx。從最早的CCG1到現在的CCG5，以及專門為充電應用而設計的CCG3PA，所有芯片都已被大客戶的量產產品驗證。其中：

1）主機host設計可以采用CCG2、CCG3、CCG4、 CCG5；

2）Cable包括雷電Cable，可以采用CCG2、CCG3：

3）Dongle和Dock可以選擇CCG2、CCG3、CCG3、CCG5；

4）充電器、移動電源，以及各類和充電相關的應用產品可以選CCG3PA。

USB-C最新發展動向

關于USB-C技術，我們看到以下4個主要發展動向：

1）USB供電（PD）標準的最新版本增加了可編程電源（PPS）功能。這簡化了實施各種高速充電和供電方案的系統要求和成本。連接器現存的較高電壓也推動了新器件需保護敏感的高速數據線免受潛在破壞性條件影響的需求。

2）USB-A連接器一直是一些有限功率和經常充電的數據解決方案。USB-C連接器提供的更高功率和數據功能使其成為廣泛應用的電源和數據鏈路。我們看到許多終端產品（包括智能手機、移動配件、筆記本電腦、USB集線器和擴展塢）迅速采用了USB-C連接器。自然效應是工程師正在尋找經過優化用于特定應用的接口方案。這個僅一個器件用于所有應用的方法正在迅速變化。

3）另一重要的趨勢是汽車USB-C，我們看到很多的新設計開始用于汽車。

4）數據速率正在迅速增快。 最新的USBSuperSpeed設備將使用兩條SuperSpeed線以高達20 GB/s的速度工作。這增加了可以使用一個USB-C接口的應用數量。現代化的筆記本電腦擴展塢正迅速轉變為一個小型的USB集線器，為所有與平板電腦/筆記本電腦相連接的設備提供電源和數據。提供電源和數據的單個插頭設備正在改進用戶體驗和工業設計。

安森美USB-C產品

針對各種發展動向，安森美半導體正在快速擴增完整的USB接口方案組合。最近增加的包括汽車方案（FUSB302BV）、非微控制器接口（FUSB303）、USB-PD-PPS控制器（FUSB307）、多引腳高壓保護（FSUSB242）等。安森美半導體還提供多種新型高速方案，包括ESD保護和多路復用器和轉接驅動器，以提高信號質量。此外還提供應用于充電寶的同類優秀的集成方案，符合最新的USB-C及USB PD規格。

無線充電

現階段無線充電存在四種不同的商用技術：電磁感應技術、無線電波技術、電磁共振技術、電場耦合技術，而主要用在手機無線充電的技術是電磁感應技術和電磁共振技術。同時，在家電及電動汽車上，無線充電也有比較廣闊的前景。

無線充電接收器將同時支持WPC和Airfuel技術

電感充電技術依然是主流的無線充電技術，其主要采用無線充電聯盟Qi標準，意法半導體很早就加入了這個標準組織。無線充電器分為給穿戴設備充電的低功率充電器，給手機、平板、筆記本，甚至汽車充電的大功率充電器。智能手機依然是無線充電技術的主流目標應用，同時智能手機還吸引更多的消費電子產品采用Qi標準。

WPC/Qi聯盟成員的數量增加到421家公司，意法半導體也參與了包括Airfuel（諧振充電）在內的充電標準技術的研發。其中，Airfuel聯盟專注的是諧振式無線充電技術，用戶體驗相對來說更好。未來的接收器解決方案將同時支持WPC和Airfuel充電技術。

意法半導體的發射器芯片STWBC-EP支持QiExtended Power（15 W），給智能手機和平板充電更快。STWLC33JR是一個15 W的多模Qi/AirFuel電磁感應式無線充電接收器芯片，擁有Qi和Airfuel聯盟的認證，既可以是發射端芯片，也可以是接收端芯片，用寄存器配置收發模式，外部用相同的線圈。

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