在智能手機(jī)領(lǐng)域，延長(zhǎng)電池壽命和快速充電技術(shù)一直是個(gè)熱門話題。快速充電已成為當(dāng)今手機(jī)的必備功能。今天的快速充電智能手機(jī)的功率范圍在18W到120W之間，充電時(shí)間從20分鐘到一個(gè)多小時(shí)不等，市場(chǎng)上甚至有240W的超快速充電手機(jī)。而且如今，快速充電不僅限于有線充電，無(wú)線充電也在這場(chǎng)創(chuàng)新活動(dòng)中扮演著重要角色。

USB PD正在改變現(xiàn)有充電方式

USB Power Delivery（PD）是一種有線充電協(xié)議，設(shè)備通過(guò)USB連接能夠傳輸更高的功率，從而顯著加快充電過(guò)程。與標(biāo)準(zhǔn)USB充電器相比，USB PD為設(shè)備充電可以快70%。一個(gè)具有100W充電能力USB連接不僅足以為智能手機(jī)和平板電腦充電，還可以為筆記本電腦等更大功率的設(shè)備充電。

USB PD自2012年以來(lái)一直存在，并在USB-C端口問(wèn)世后不久推出。在推出之前，唯一可用的通用選項(xiàng)是USB電池充電規(guī)范，它的速度要慢得多。得益于這項(xiàng)技術(shù)，智能手機(jī)、筆記本電腦和其他支持USB-C的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更快的充電速度。

USB PD功能更強(qiáng)大，也更安全，因?yàn)槭茈娫O(shè)備和充電器通過(guò)USB電纜相互通信，以確認(rèn)極佳充電功率水平。這種握手方法支持5V、9V、15V、20V及以上的電壓階躍，適用于0.5W至240W的功率輸出。較新的USB Power Delivery Programmable Power Supply（USB PD PPS）標(biāo)準(zhǔn)也支持可配置的電壓，從而實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的充電策略。如果兩個(gè)設(shè)備無(wú)法通信合適的電源規(guī)則，USB PD將默認(rèn)為相關(guān)USB協(xié)議支持的下一個(gè)電源選項(xiàng)，如USB-C 1.5A。

USB PD在其生命周期中經(jīng)歷了幾次迭代。初始的USB PD 1.0為不同的設(shè)備類別提供了固定功率配置文件，此版本僅支持10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W。對(duì)于各種各樣的受電設(shè)備，包括偏好低電壓充電的小型智能手機(jī)電池來(lái)說(shuō)這種配置不太靈活。

后來(lái)的USB PD 2.0和3.0版本放棄了固定配置文件，轉(zhuǎn)而采用更靈活的電源規(guī)則。這些規(guī)則保留了固定的電壓范圍，但允許更廣泛的協(xié)商電流水平，而后成為一個(gè)非常適合各種設(shè)備需求的標(biāo)準(zhǔn)。USB PD 3.0還擴(kuò)展了通信協(xié)議，以支持電池狀態(tài)、增強(qiáng)的安全性和快速角色交換等功能。

大多數(shù)現(xiàn)代智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦和可穿戴設(shè)備都支持USB PD 2.0和3.0規(guī)范。25W至45W的功率對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)?shù)湫偷模裉斓墓P記本電腦的功率高達(dá)100W甚至更高。盡管支持多種設(shè)備，但USB PD不會(huì)以相同的速度為每個(gè)設(shè)備充電。使用USB PD時(shí)，每個(gè)設(shè)備的快速充電能力將對(duì)充電時(shí)間產(chǎn)生影響。

USB PD的新版本USB PD 3.1于2021年發(fā)布。它進(jìn)一步擴(kuò)展了功率水平，支持高達(dá)240W充電能力。這種增強(qiáng)功能迎合了更廣泛的設(shè)備和高功率應(yīng)用，提高了USB充電的效率和多功能性。新的USB PD版本可以為筆記本電腦等要求苛刻的設(shè)備提供高達(dá)240W的充電功率。

USB PD是如何工作的？

與傳統(tǒng)的USB功率標(biāo)準(zhǔn)（USB 3.0的功率通常可達(dá)2.5W或15W）不同，USB PD允許正在充電的設(shè)備和充電器本身之間進(jìn)行功率協(xié)商，可以從5W到100W不等，具體取決于設(shè)備請(qǐng)求的功率，以確保極佳的功率輸送，防止過(guò)度充電或充電不足。

USB PD支持多種電壓電平（5V、9V、12V、15V和20V）和高達(dá)5A的電流，允許在各種設(shè)備上進(jìn)行更量身定制的充電。這種靈活性使得USB PD既能用于筆記本電腦或游戲機(jī)等高功率設(shè)備，也適用于功率較小的小型電動(dòng)工具。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整功率水平，USB PD充電器可使設(shè)備實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方法更快的充電，許多智能手機(jī)在30分鐘內(nèi)能充電到50%或更多。USB PD的另一獨(dú)特之處是它能夠雙向供電。這意味著筆記本電腦不僅可以通過(guò)USB PD電源充電，而且筆記本電腦本身也可以作為智能手機(jī)或外部配件等較小外圍設(shè)備的電源。

USB PD控制器是支持USB Type-C接口并實(shí)現(xiàn)USB PD充電協(xié)議的硬件設(shè)備。該控制器通過(guò)Type-C接口提供高功率充電能力，使設(shè)備能夠支持更快、更高效的充電。

QYResearch的新近研究表明，全球USB PD控制器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2024年的1.64億美元增長(zhǎng)到2030年的4.19億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為17.0%。

圖3：2024--2030年USB PD控制器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將出現(xiàn)快速增長(zhǎng)（圖源：QYResearch）

USB PD控制器的全球主要制造商包括Texas Instruments、STMicroelectronics、NXP、Renesas和Realtek等，前五大制造商的份額約為整個(gè)市場(chǎng)的41%。其中，Texas Instruments是全球主要的USB PD控制器制造商，市場(chǎng)份額超過(guò)11%。

Texas Instruments公司的TPS25730是一款高度集成的獨(dú)立式USB Type-C和USB PD控制器，針對(duì)支持USB-C PD電源的純接收應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，支持高達(dá)20V/100W輸出。TPS25730集成了完全管理的電源路徑與強(qiáng)大的保護(hù)功能，可提供完整的USB-C PD解決方案，還可通過(guò)使用內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制外部電源路徑。TPS25730非常適合之前由桶形插孔供電的純接收應(yīng)用。使用電阻器引腳strap配置，用戶可在其平臺(tái)上使用TPS25730實(shí)現(xiàn)功能齊全的USB Type-C PD端口，無(wú)需外部EEPROM、外部微控制器或任何類型的固件開(kāi)發(fā)。

圖4：TPS25730應(yīng)用方框圖
（圖源：Texas Instruments）

支持240W擴(kuò)展功率

USB是一個(gè)有著近30年歷史的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在，大多數(shù)筆記本電腦都至少有一個(gè)USB-C端口。此外，許多其他移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)切換到USB-C，同時(shí)市場(chǎng)上USB-C電源適配器的數(shù)量也明顯增加。汽車制造商也開(kāi)始在其車輛中增加更多的USB-C端口，為駕駛員和乘客提供了增強(qiáng)的充電選項(xiàng)。

從USB Power Delivery 3.1開(kāi)始，通過(guò)單根USB-C電纜即可支持令人難以置信的80Gbps和240W（48V@5A）功率。到2024年底，USB Type-C和USB PD將在所有歐盟國(guó)家強(qiáng)制用于許多應(yīng)用。業(yè)界的愿景是，2025年后，功率高達(dá)240W的許多電子設(shè)備將采用USB-C作為數(shù)據(jù)通信和充電的標(biāo)準(zhǔn)端口。屆時(shí)，借助USB PD技術(shù)，我們可以為任何USB設(shè)備充電高達(dá)240W，包括5V或15V設(shè)備、45W手機(jī)和160W筆記本電腦。接下來(lái)，如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車或消費(fèi)類3D打印機(jī)等也可能使用同一適配器充電。

Texas Instruments的TPS26750是一款高度集成的獨(dú)立USB Type-C和USB PD控制器，支持240W擴(kuò)展功率范圍。TPS26750還集成了外部電池充電器IC的控制，以增加易用性并縮短上市時(shí)間。直觀的基于網(wǎng)絡(luò)的GUI開(kāi)發(fā)工具，也有助于降低USB PD解決方案開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。

圖6：TPS26750應(yīng)用框圖
（圖源：Texas Instruments）

總之，USB PD作為一種標(biāo)準(zhǔn)，旨在增強(qiáng)USB連接的電源傳輸和充電能力，特別是隨著USB Type-C的引入，它允許設(shè)備協(xié)商所需的功率，并動(dòng)態(tài)調(diào)整所提供的功率，提供高達(dá)100W甚至240W的功率。

這意味著USB PD能夠?yàn)楦囝愋偷碾娮釉O(shè)備充電，并大大縮短充電時(shí)間，同時(shí)提高了安全性和效率。通過(guò)提供更快的充電速度、更高的效率，USB PD有望實(shí)現(xiàn)通過(guò)單個(gè)充電器為各種設(shè)備供電，并引領(lǐng)一個(gè)更精簡(jiǎn)、更通用的電源生態(tài)系統(tǒng)的建立。

無(wú)線充電技術(shù)的演變

無(wú)線充電技術(shù)自誕生以來(lái)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路，其早期迭代面臨著重大的局限性。由于能量傳輸?shù)男氏鄬?duì)較低，無(wú)線充電與有線充電相比充電時(shí)間更長(zhǎng)，充電范圍也很小，且需要充電板和設(shè)備之間的精確對(duì)準(zhǔn)。此外，這些早期的無(wú)線充電器通常體積龐大且價(jià)格昂貴。

無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展過(guò)程中極重要的里程碑之一是無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）于2008年引入Qi標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)旨在創(chuàng)建一種通用的無(wú)線充電協(xié)議，供不同行業(yè)的制造商采用。包括蘋果和三星在內(nèi)的主要科技公司均采用了Qi標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加速了其被主流產(chǎn)品接受和整合的力度。

Qi標(biāo)準(zhǔn)依賴于感應(yīng)充電技術(shù)，線圈設(shè)計(jì)、電源管理和對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的進(jìn)步為其帶來(lái)了更高效的能量傳輸和更快的充電時(shí)間。新近的無(wú)線充電器現(xiàn)在可以提供與傳統(tǒng)有線充電器相當(dāng)?shù)墓β仕健?/p>

幾個(gè)關(guān)鍵的里程碑和突破加速了無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展。一個(gè)值得注意的創(chuàng)新是引入了諧振電感耦合，這為在充電板上定位設(shè)備帶來(lái)了更大的靈活性。該技術(shù)能夠在更寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高效的能量傳輸，解決了早期感應(yīng)充電系統(tǒng)的主要局限性之一。另一個(gè)突破是多設(shè)備充電板的開(kāi)發(fā)，能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電。

無(wú)線充電還有一個(gè)令人興奮的發(fā)展趨勢(shì)，就是是射頻（RF）充電的使用。射頻充電通過(guò)將無(wú)線電波轉(zhuǎn)化為電能，使設(shè)備能夠在更長(zhǎng)的距離內(nèi)進(jìn)行無(wú)線充電。這項(xiàng)技術(shù)可能消除與充電板的物理接觸，使設(shè)備在射頻發(fā)射器的范圍內(nèi)自動(dòng)充電。

Qi是移動(dòng)無(wú)線充電領(lǐng)域采用極廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。與USB PD一樣，該標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)過(guò)了多次修訂，提高了標(biāo)準(zhǔn)的電源能力和通信用例。Qi還實(shí)現(xiàn)了反向無(wú)線充電，允許手機(jī)為其他無(wú)線設(shè)備反向緩慢充電。由于這種充電方法中沒(méi)有任何物理電線或電纜，短路和事故的可能性幾乎可以忽略不計(jì)。

ICT投資的增加和感應(yīng)充電領(lǐng)域“玩家”數(shù)量的增長(zhǎng)，促進(jìn)了無(wú)線充電在各個(gè)垂直行業(yè)的使用，也增加了其市場(chǎng)份額。根據(jù)Fortune Business Insights的預(yù)測(cè)，2022年，全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模約為221.7億美元，預(yù)計(jì)將從2023年的258.7億美元增長(zhǎng)到2030年的1,290.2億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為25.8%。

高集成、可配置的無(wú)線充電
解決方案

圖8（圖源：Freepik）

Infineon公司的WLCx系列產(chǎn)品將高度集成和高端客制化選項(xiàng)相結(jié)合，以滿足Qi充電IC標(biāo)準(zhǔn)，以及專有充電要求。其中，WLC1115是一款高集成度、可編程的無(wú)線功率發(fā)射器控制器，適用于15W無(wú)線充電應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)符合新近Qi標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，確保更高的能源效率和更快的充電速度。WLC1115支持Qi2充電模式，如磁功率模式（MPP）協(xié)議、擴(kuò)展功率模式（EPP）協(xié)議和基本功率模式（BPP）協(xié)議。WLC1115發(fā)射端控制器IC集成了USB-PD芯片、Buck壓降電路、感應(yīng)器件、軟件和Qi2系統(tǒng)。

具體來(lái)講，WLC1115是一款高度可編程的無(wú)線功率發(fā)射器和集成USB-PD接收器解決方案，具有片上32位Arm Cortex-M0處理器、128KB閃存、16KB RAM和32KB ROM，可方便地進(jìn)行配置更改，以定制和調(diào)整FOD等重要參數(shù)。它還包括各種模擬和數(shù)字外圍設(shè)備，如ADC、PWM和定時(shí)器。其包含具有模擬和數(shù)字外圍設(shè)備的完全可編程MCU，可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的無(wú)線發(fā)射機(jī)解決方案。

圖9顯示了WLC1115在15W Qi v1.3.x無(wú)線電發(fā)射器解決方案中的典型應(yīng)用，該解決方案用于基于MP-A11 Qi發(fā)射器線圈的固定頻率和電壓控制。系統(tǒng)的輸入電源通過(guò)Type-C PD接收器為降壓轉(zhuǎn)換器供電。降壓轉(zhuǎn)換器為全橋逆變器供電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)射器線圈。WLC1115使用降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)控制逆變器橋電壓（VBRG），以調(diào)節(jié)向接收器供電的發(fā)射器線圈的功率流。雙運(yùn)算放大器用于將幅移鍵控（ASK）調(diào)制功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)。此外，WLC1115還使用數(shù)字邏輯對(duì)二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行解碼。此外，Infineon的OPTIGA信任安全I(xiàn)C通過(guò)I2C接口連接，以滿足Qi v1.3.x的身份驗(yàn)證要求。

圖9：WLC1115在15W Qi v1.3.x無(wú)線電發(fā)射器解決方案中的典型應(yīng)用（圖源：Infineon）

本文小結(jié)

縱觀當(dāng)下的快充市場(chǎng)，在有線充電領(lǐng)域，我們很高興地看到，USB PD已成為Android和iOS生態(tài)系統(tǒng)中智能手機(jī)充電的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。USB PD在筆記本電腦市場(chǎng)也很受歡迎。在高功率端，許多筆記本電腦已經(jīng)普遍配備USB-C充電端口。

根據(jù)USB PD規(guī)范，功率限制為100W（5A時(shí)為20V）。但USB PD修訂版3.1在相同的5A下增加了擴(kuò)展功率范圍（EPR）、28V、36V和48V模式，高可達(dá)240W。目前雖然只有少數(shù)設(shè)備支持這一功率水平，但可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)幾年，這將是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)品群體。

無(wú)線充電方面，其發(fā)展相比USB PD略顯緩慢，圍繞Qi作為無(wú)處不在的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各品牌應(yīng)緊密團(tuán)結(jié)起來(lái)。不過(guò)隨著Qi標(biāo)準(zhǔn)的普及，無(wú)線充電的效率和便利性已經(jīng)得到了顯著提高。線圈設(shè)計(jì)、電源管理和對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的進(jìn)步更是帶來(lái)了更高效的能量傳輸和更快的充電時(shí)間。總體而言，無(wú)線充電技術(shù)的進(jìn)步正在使其從小眾創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁鹘鉀Q方案。