快充大一统真的来了!但仍需解决成本、电池问题
2018-06-15 17:56:26 来源:电子变压器与电感网 作者:陈英韬 点击:3698
【哔哥哔特导读】快充技术从提出至今,基本都是各立山头、各自为政的局面,USB-IF组织为此推出了PPS协议,一度推动业内各个协议间的兼容,而近来随着苹果即将采用USB-C接口的消息传来, USB Type-C一统接口基本是板上钉钉的事,物理接口的统一必定也将推动标准层面的统一,USB PD协议作为最合适USB Type-C的快充协议,两者的结合无疑
快充技术从提出至今,基本都是各立山头、各自为政的局面,USB-IF组织为此推出了PPS协议,一度推动业内各个协议间的兼容,而近来随着苹果即将采用USB-C接口的消息传来, USB Type-C一统接口基本是板上钉钉的事,物理接口的统一必定也将推动标准层面的统一,USB PD协议作为最合适USB Type-C的快充协议,两者的结合无疑会从标准层面到物理接口上实现真正的大一统,但两者的结合也带来了新的问题,包括高成本以及快充功率提高带来的电池问题,都有待解决。
PPS协议推动充电终端兼容
在很长的一段时间内,多个快充技术林立,包括OPPO VOOC 闪充、华为SuperCharge、三星 Fast Charging、高通 Quick Charge、联发科 Pump Express等等,业内人士认为这些快充技术,其实可以归类为“高压派”和“大电流派”,各个快充技术互有优劣,未来平台将成为选择快充技术的重要因素。
努比亚技术有限公司硬件工程师陈增桂说:“现在的快充技术基本可以归为高压和大电流两种,比如高通就是高压,VIVO的闪充就是大电流,高压的快充技术会让手机端发热严重,大电流的快充技术会让电源适配器发热严重,存在浮压问题,两种技术都各有优劣,不能说哪一种有绝对优势,只能说高通、联发科在平台和技术沉淀是更有优势。”
随着智能设备和数码科技产品的飞速发展和更新换代,AC/DC开关电源市场也在同步发生飞快的变化,从传统的5V1A、5V2A到5V2.4A、5V/3.4A、5V5A等等,特别是各种快充协议层出不穷,令人应接不暇。这对电源厂商来说既是好消息,也是坏消息。好消息是市场容量可能进一步激发,有机会获取更多商业机会;但同时又不得不根据不同客户不同产品的需求,研发扩充更多产品品类以提供不同的电源产品需求,这对电源工程师的工作负荷以及厂商供应链管理都是不小的挑战。
USB-IF组织为了解决这个问题推出了USB PD。业内人士表示,USB PD是一个交互性很强的协议,USB PD 3.0支持PPS充电,这样便把市面上不同的快充标准统一在USB PD的范畴,只要符合USB PD3.0的充电器和终端都可以兼容。
其实在众多标准协议当中,USB PD协议是最有希望能够成为统一标准的协议,但却迟迟未能得到各家的认同,而随着近两年来努力,这一局面有望得到缓解,快充标准将进一步向USB PD协议靠拢。
2017年初,USB-IF发布了USB PD协议的重要更新,正式推出了旨在统一快速充电技术规范的PPS,不允许USB接口通过非USB PD的协议来进行电压和电流调整。同时,谷歌也在Android 7.0 OEM规范中强调:使用USB接口的手机,快充技术必须支持USB PD。如此一来,包括高通、MTK和OPPO、TI等快充方案,在未来只能支持USB PD协议。它是USB PD 3.0标准的一个重要更新,旨在对目前的快充方案实现统一规范。目前其已经实现对高通QC 3.0/4.0、联发科PE 2.0/3.0、OPPO VOOC、华为SuperCharge等标准的收录,意味着可以完美支持这四种快充方案。
为此,业内人士认为,目前能够兼容多个快充协议的电源适配器、方案都会是趋势。
技领半导体深圳分公司研发部技术经理郭威说:“标准林立情况的出现主要是各个大企业都想在快充技术标准还没有真正统一之前,抢占协议高地,现在各个技术各有优劣,长期并存,那能够兼容多个快充协议的电源适配器,或者各个快充标准之间兼容将会是趋势,比如说我今天用苹果的手机,明天换了三星的手机,那充电器也要进行更换的话会非常不方便,所以未来兼容快充协议的方案肯定是趋势。”
奇酷互联网络科技有限公司硬件部工程师杜立剑说:“现在包括华为在内的很多厂家都在推多合一的快充方案,特别是在充电器端,能够兼容多个快充标准的充电器IC方案会比较受欢迎,未来这种兼容多个协议的方案大面积推广将有利于快充技术的发展和普及。”
而如今很多充电器都具备兼容性。据媒体实测,坚果R1的 QC4+充电器的兼容性非常强,可向下支持QC3.0/2.0以及USB PD3.0快充,支持PPS标准,无论是用来充Android手机还是iPhone X、iPhone 8 Plus都不在话下,实用性非常高。用这块原装充电器给iPhone 8 Plus充电,也能够成功触发USB PD快充。
苏州易能微电子科技有限公司CEO吴钰淳表示:“易能微已经推出了多种USB PD方案,可满足不同输出功率、不同协议的USB PD充电器的设计需求。”
Type-C统一接口推动USB PD协议普及
除了标准层面外,被众多厂商所青睐的USB Type-C正在成为统一接口也为快充技术标准统一铺好道路,业界认为USB-C与USB PD以组合的方式推动着手机等移动设备接口的变革。
上海芯熠微电子有限公司销售总监刘先锋说:“USB PD协议很早之前就已经推出了,但是缺乏强制性,所以才会出现了各大厂商推出自己的快充标准,现在各大企业都在力推USB Type-C成为统一接口,那和它匹配的USB PD协议也肯定会得到推广。”
继2017年底USB PD发布可编程电源(PPS)规格底定,以及手机及相关设计开始朝USB-C接口移转,透过标准的统一,不仅将带动手机快充商机,新的应用场景与外围装置需求也已陆续浮现。
威锋电子产品营销副总许锦松表示,因应手机更轻薄、充电速度更快以及全屏画面的需求,新款手机的改变不仅只采用USB-C接口,也将取消传统的3.5mm耳机孔,此趋势将从中高阶手机开始逐渐向下普及,势必推动新的外围装置商机,像是USB-C接口耳机、转接器(Dongle)、以及扩充基座等。
据台湾媒体DigiTimes从模拟IC供应商获得的消息显示,苹果或将于2019年放弃Lightning端口,正在重新设计充电器和下一代相关接口,未来iPhone与iPad将支持USB-C。
然而,苹果却放弃Lightning转向USB-C,除了有市场需求还有其他原因存在。近日,欧洲议会通过通用充电器草案,要求在欧盟内销售的无线电设备强制采用统一的标准充电器,旗下数位欧洲组织(Digital Europe)的产业成员今年第一季正式发布第二版MOU(谅解备忘录),确定未来3年内移动设备充电接口统一为USB Type-C规格,并已获得苹果、Google、联想、三星、索尼、乐金、摩托罗拉等7家国际大厂签署。这意味着,未来3年内所有移动设备的充电接口将统一为USB-C规格。
未来,在USB-IF针对快充推出的认证机制规范下,只有USB Type-C接口可以采用最新的USB-PD快充规格。为此,USB-IF总裁Jeff Ravencraft乐观预测,USB Type-C接口将成为业界标准,USB充电及快充规格确定后将带动市场起飞,加上新版本USB 3.2可支持高达每秒20Gb的传输速率,整体市场前景良好高且终端出货正在快速放量。
在推动USB-C接口普及、搭建USB-C生态系统方面,苹果公司官方也作出实际的努力。近日,苹果将之前标价188元的USB-C转闪电连接线(1米)价格下调为147元,与目前的常规USB-A充电线(1米)的价格保持一致。
快充功率不断加大
在USB-C与USB PD协议的组合下,目前已有多款主流手机兼容了最新的USB PD3.0,PPS充电协议,从这些手机厂商的举措来看,均在向USB PD快充靠拢,USB PD快充才是快充市场的大趋势,而这也呈现一个趋势是,快充功率越来越大。
比如,6月1日,vivo NEX A和vivo NEX S均通过了3C认证,其配备的充电器型号为V2323A-CN,所支持的充电输出最高为22.5W,相比vivo X21在充电速度方面有所提升。
坚果R1的原装充电器也首次用上高通最新的QC4+快充技术,抛弃了常见的USB-A接口,改用USB-C输出接口,标称最大功率18W,实测功率最高可达22W。
在下半年的新机方面,Rosenblatt Securities分析师Jun Zhang最新报告称,苹果可能将在下一代iPhone中采用更快的充电技术,从5V/2A升级至9V/2A或5V/3A。这一快充技术改变或将开启与安卓手机在快充市场的新一轮竞争。
三星将于今年8月份正式发布旗下Note系列年度旗舰手机——三星Galaxy Note9,近期有曝料显示,三星Note 9手机将搭载4000mAh大电池,并且还支持25W快充功能,不过目前尚不清楚其对QC 4+快充协议的兼容性。
据黄章介绍,今年8月将推出的魅族16具备3080mAh电池容量和24W(8V/3A)快充。
各家快充技术的本质都在于提高充电器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未来一个带USB-C端口并支持USB PD标准的设备最高可以支持20V/5A,实现100W的效率,不过基于成本考虑,目前大多数充电设备只支持60W以下的功率。
不过,随着电源功率的提高,电池势必变得体积更大、重量更重,因此业界需要在半导体构造及封装的研究与改良上,持续投入了许多精力。
成本、电池端问题成瓶颈
目前接口与技术标准都在逐步走向统一,USB Type-C与USB PD这一组合未来极有可能成为统一标准,而目前的成本、功率等问题都阻碍着这一技术的普及。
“成本是硬伤,光是Type-C接触的底座一个就要好几块钱,,外加上现在要适应PD快充技术,需要匹配升降压芯片,这个的成本也要一两块钱多,加起来整体的成本会比传统的USB接口要贵上不少。” 郭威说。
慧能泰公司总经理谢仁践表示:“USB PD快充正在成为智能手机、笔记本电脑、Pad、相机、游戏机、无人机等几乎所有移动设备的快充方案,成为真正意义的‘万能充电器’。但是USB PD快充方案的成本明显高于传统的电源适配器以及其他快充方案,成为了USB PD快充大规模普及的瓶颈。”
单从接口层面来说,Type-C的传输速率达到10Gbps,这种大幅度的速度增长无可避免地为连接器的信号与电源完整性带来了挑战,目前能够生产制造USB Type-C的企业还在少数,并且为了能传输高画质影像、取代电源线,USB Type-C还增加了8条价格高昂的高频同轴线,这让它的造价比传统线材高上10倍。
而整个USB PD协议还包含了开关、端口保护、转接驱动器、电源转换等在内的环节,以及不同的应用场景和平台,这些环节都将因为需要针对功率、传输速率、散热、静电防护等等问题做出整改和提高,整体方案成本要明显明显高于传统的电源适配器以及其他快充方案。
“还有功率引起的问题也需要注意”,郭威举例说:“USB PD充电协议功率最高可达100W,未来随着电源功率的提高,电池势必变得体积更大、重量更重,到时候手机体积要不要变大?大功率的移动电源携带方不方便?这些事关用户体验的事情,都是要快充技术的瓶颈。”
富士康研发工程师刘磊则认为电池端的问题比成本问题更加重要。他说:“目前的成本高昂的问题主要是由于终端应用还不够多,技术还不成熟引起的,未来随着大量终端应用的出现,成本肯定是会降低的,但是电池是关系到手机整体设计的问题,在电池容量短期内无法得到突破的情况下,大功率的快充是不是意味着手机电池体积的增大?引起的发热情况应该怎么处理?这些都会导致手机整体设计发生改变。”
无线充电也进入快充时代
快充技术将会率先在消费电子领域爆发这一观点,在手机方面已经得到了证实,而业内人士认为,无线充电以及新能源汽车这两个领域也是快充技术值得期待的市场。
无线充电技术在2017年时曾随着苹果手机支持无线充电而引起一波浪潮,随后包括小米、魅族、锤子等等手机企业纷纷跟进使用无线充电,从而引起了无线充电下游材料价格暴涨,供不应求。
而数据显示,2018年无线充电发射器和接收器的市场规模将分别达到5.5亿美元和16.6亿美元,手机和可穿戴设备的无线充电技术市场规模将分别达到6.0亿美元和1.6亿美元,无线充电市场前景良好。
手机无线充电目前正在逐渐远离充电慢顽疾,从最新的各家旗舰手机来看,10W无线快充已经成为主流技术,比许多有线充电技术要快。
据黄章介绍,魅族16 PRO将具备10W无线快速充电。坚果R1和配套闹钟式无线充电座也支持10W无线快充。
陈增桂说:“目前的快充技术都是基于线缆实现的快充技术,但线缆在一定程度上还是限制了终端应用的设计和发展,如果无线充电能够和快充技术完美结合,可以节省很多接口、电池方面的空间,将会让终端应用释放出更多的空间,展示更多的可能性,我个人比较期待快充技术在无线充电方面的发展。”
而新能源汽车市场一直因为国家政策的大力推广而蓬勃发展,根据全球能源机构近期发布的2018年电动汽车展望报告显示,2017年,电动汽车的新车销量数量超100万,比2016年增长了54%,创下历史新高。据中汽协数据,2018年1-5月,新能源汽车产销均完成32.8万辆,比上年同期分别增长122.9%和141.6%。2018年5月,新能源汽车产销分别完成9.6万辆和10.2万辆,比上年同期分别增长85.6%和125.6%。
刘先锋说:“快充技术在新能源汽车市场领域可以说是必须的,现在大家都在推新能源汽车,但续航能力一直都是新能源汽车的关键,在目前新能源汽车电池容量在短期内都无法得到颠覆性突破情况下,只能通过快充技术来解决电池续航问题,未来快充技术在新能源汽车市场领域还有很大的发展空间。”
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9月22日,Power Integrations面向业界推出InnoSwitch™3-PD系列IC。
目前,提到快充必然绕不开的就是快充协议,而USB PD快充也也随着快充的发展成为了“顶流”。此外,第三代半导体材料氮化镓也在近两年的快充发展中绕不开的话题。
USB PD 3.1规范将功率由100W扩大到了240W,在这超高功率下可以使得USB Type-C的使用场景不再局限于智能手机、平板、笔记本电脑等消费类电子中。在这个标准下,将带来USB Type-C接口“大一统”的局面,因此会给连接器带来巨大的增量。
安森美半导体的NCP51530是700 V高低边驱动器,用于AC-DC电源和逆变器,提供高频工作下同类最佳的传播延迟、低静态电流和开关电流。NCP51530具有行业最低的电平漂移损耗,使电源能在高频下高能效的工作。本文将对NCP 51530与行业标准的两个器件进行比较。计算NCP 51530用于有源钳位反激 (ACF) USB PD适配器中的损耗。
USB Type-C旨在创建一个用于高速数据传输和电力传输的标准接口,仅需一根电缆,取代需要多根电缆的需求。这很有意义,部分原因在于电子设备制造商不愿为他们付运的每一台设备提供电缆,还因为消费者正在处理大量被闲置在抽屉、橱柜和台式机上的 “备用”电缆。
USB标准在不断演进,能效法规也在日趋严格。领先的电源半导体供应商安森美半导体利用在电源半导体领域的专长和伟诠在USB PD领域的领先技术,推出一系列高能效、高密度的USB PD电源适配器,满足市场需求,符合并超越能效标准,如最近的65 W 超高密度USB PD适配器方案
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