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在智能手机领域，延长电池寿命和快速充电技术一直是个热门话题。快速充电已成为当今手机的必备功能。今天的快速充电智能手机的功率范围在18W到120W之间，充电时间从20分钟到一个多小时不等，市场上甚至有240W的超快速充电手机。而且如今，快速充电不仅限于有线充电，无线充电也在这场创新活动中扮演着重要角色。
USB PD正在改变现有充电方式
USB Power Delivery（PD）是一种有线充电协议，设备通过USB连接能够传输更高的功率，从而显著加快充电过程。与标准USB充电器相比，USB PD为设备充电可以快70%。一个具有100W充电能力USB连接不仅足以为智能手机和平板电脑充电，还可以为笔记本电脑等更大功率的设备充电。
USB PD自2012年以来一直存在，并在USB-C端口问世后不久推出。在推出之前，唯一可用的通用选项是USB电池充电规范，它的速度要慢得多。得益于这项技术，智能手机、笔记本电脑和其他支持USB-C的设备实现了更快的充电速度。
USB PD功能更强大，也更安全，因为受电设备和充电器通过USB电缆相互通信，以确认极佳充电功率水平。这种握手方法支持5V、9V、15V、20V及以上的电压阶跃，适用于0.5W至240W的功率输出。较新的USB Power Delivery Programmable Power Supply（USB PD PPS）标准也支持可配置的电压，从而实现了更优的充电策略。如果两个设备无法通信合适的电源规则，USB PD将默认为相关USB协议支持的下一个电源选项，如USB-C 1.5A。
USB PD在其生命周期中经历了几次迭代。初始的USB PD 1.0为不同的设备类别提供了固定功率配置文件，此版本仅支持10W（5V，2A）、18W（12V，1.5A）、36W。对于各种各样的受电设备，包括偏好低电压充电的小型智能手机电池来说这种配置不太灵活。
后来的USB PD 2.0和3.0版本放弃了固定配置文件，转而采用更灵活的电源规则。这些规则保留了固定的电压范围，但允许更广泛的协商电流水平，而后成为一个非常适合各种设备需求的标准。USB PD 3.0还扩展了通信协议，以支持电池状态、增强的安全性和快速角色交换等功能。
大多数现代智能手机、笔记本电脑、平板电脑和可穿戴设备都支持USB PD 2.0和3.0规范。25W至45W的功率对于智能手机来说是相当典型的，而今天的笔记本电脑的功率高达100W甚至更高。尽管支持多种设备，但USB PD不会以相同的速度为每个设备充电。使用USB PD时，每个设备的快速充电能力将对充电时间产生影响。
USB PD的新版本USB PD 3.1于2021年发布。它进一步扩展了功率水平，支持高达240W充电能力。这种增强功能迎合了更广泛的设备和高功率应用，提高了USB充电的效率和多功能性。新的USB PD版本可以为笔记本电脑等要求苛刻的设备提供高达240W的充电功率。
USB PD是如何工作的？
与传统的USB功率标准（USB 3.0的功率通常可达2.5W或15W）不同，USB PD允许正在充电的设备和充电器本身之间进行功率协商，可以从5W到100W不等，具体取决于设备请求的功率，以确保极佳的功率输送，防止过度充电或充电不足。
USB PD支持多种电压电平（5V、9V、12V、15V和20V）和高达5A的电流，允许在各种设备上进行更量身定制的充电。这种灵活性使得USB PD既能用于笔记本电脑或游戏机等高功率设备，也适用于功率较小的小型电动工具。通过动态调整功率水平，USB PD充电器可使设备实现比传统方法更快的充电，许多智能手机在30分钟内能充电到50%或更多。USB PD的另一独特之处是它能够双向供电。这意味着笔记本电脑不仅可以通过USB PD电源充电，而且笔记本电脑本身也可以作为智能手机或外部配件等较小外围设备的电源。
USB PD控制器是支持USB Type-C接口并实现USB PD充电协议的硬件设备。该控制器通过Type-C接口提供高功率充电能力，使设备能够支持更快、更高效的充电。
QYResearch的新近研究表明，全球USB PD控制器市场预计将从2024年的1.64亿美元增长到2030年的4.19亿美元，预测期内的复合年增长率（CAGR）为17.0%。
USB PD控制器的全球主要制造商包括Texas Instruments、STMicroelectronics、NXP、Renesas和Realtek等，前五大制造商的份额约为整个市场的41%。其中，Texas Instruments是全球主要的USB PD控制器制造商，市场份额超过11%。
Texas Instruments公司的TPS25730是一款高度集成的独立式USB Type-C和USB PD控制器，针对支持USB-C PD电源的纯接收应用进行了优化，支持高达20V/100W输出。TPS25730集成了完全管理的电源路径与强大的保护功能，可提供完整的USB-C PD解决方案，还可通过使用内部栅极驱动器来控制外部电源路径。TPS25730非常适合之前由桶形插孔供电的纯接收应用。使用电阻器引脚strap配置，用户可在其平台上使用TPS25730实现功能齐全的USB Type-C PD端口，无需外部EEPROM、外部微控制器或任何类型的固件开发。
图4：TPS25730应用方框图（图源：Texas Instruments）
支持240W扩展功率
USB是一个有着近30年历史的标准，现在，大多数笔记本电脑都至少有一个USB-C端口。此外，许多其他移动设备已经切换到USB-C，同时市场上USB-C电源适配器的数量也明显增加。汽车制造商也开始在其车辆中增加更多的USB-C端口，为驾驶员和乘客提供了增强的充电选项。
从USB Power Delivery 3.1开始，通过单根USB-C电缆即可支持令人难以置信的80Gbps和240W（48V@ 5A）功率。到2024年底，USB Type-C和USB PD将在所有欧盟国家强制用于许多应用。业界的愿景是，2025年后，功率高达240W的许多电子设备将采用USB-C作为数据通信和充电的标准端口。届时，借助USB PD技术，我们可以为任何USB设备充电高达240W，包括5V或15V设备、45W手机和160W笔记本电脑。接下来，如电动工具、电动自行车或消费类3D打印机等也可能使用同一适配器充电。
Texas Instruments的TPS26750是一款高度集成的独立USB Type-C和USB PD控制器，支持240W扩展功率范围。TPS26750还集成了外部电池充电器IC的控制，以增加易用性并缩短上市时间。直观的基于网络的GUI开发工具，也有助于降低USB PD解决方案开发的复杂性。
图6：TPS26750应用框图（图源：Texas Instruments）
总之，USB PD作为一种标准，旨在增强USB连接的电源传输和充电能力，特别是随着USB Type-C的引入，它允许设备协商所需的功率，并动态调整所提供的功率，提供高达100W甚至240W的功率。
这意味着USB PD能够为更多类型的电子设备充电，并大大缩短充电时间，同时提高了安全性和效率。通过提供更快的充电速度、更高的效率，USB PD有望实现通过单个充电器为各种设备供电，并引领一个更精简、更通用的电源生态系统的建立。
无线充电技术的演变
无线充电技术自诞生以来走过了漫长的道路，其早期迭代面临着重大的局限性。由于能量传输的效率相对较低，无线充电与有线充电相比充电时间更长，充电范围也很小，且需要充电板和设备之间的精确对准。此外，这些早期的无线充电器通常体积庞大且价格昂贵。
无线充电技术发展过程中极重要的里程碑之一是无线充电联盟（WPC）于2008年引入Qi标准。Qi标准旨在创建一种通用的无线充电协议，供不同行业的制造商采用。包括苹果和三星在内的主要科技公司均采用了Qi标准，进一步加速了其被主流产品接受和整合的力度。
Qi标准依赖于感应充电技术，线圈设计、电源管理和对准技术的进步为其带来了更高效的能量传输和更快的充电时间。新近的无线充电器现在可以提供与传统有线充电器相当的功率水平。
几个关键的里程碑和突破加速了无线充电技术的发展。一个值得注意的创新是引入了谐振电感耦合，这为在充电板上定位设备带来了更大的灵活性。该技术能够在更宽的范围内实现更高效的能量传输，解决了早期感应充电系统的主要局限性之一。另一个突破是多设备充电板的开发，能够同时为多个设备充电。
无线充电还有一个令人兴奋的发展趋势，就是是射频（RF）充电的使用。射频充电通过将无线电波转化为电能，使设备能够在更长的距离内进行无线充电。这项技术可能消除与充电板的物理接触，使设备在射频发射器的范围内自动充电。
Qi是移动无线充电领域采用极广泛的标准。与USB PD一样，该标准也经过了多次修订，提高了标准的电源能力和通信用例。Qi还实现了反向无线充电，允许手机为其他无线设备反向缓慢充电。由于这种充电方法中没有任何物理电线或电缆，短路和事故的可能性几乎可以忽略不计。
ICT投资的增加和感应充电领域“玩家”数量的增长，促进了无线充电在各个垂直行业的使用，也增加了其市场份额。根据Fortune Business Insights的预测，2022年，全球无线充电市场规模约为221.7亿美元，预计将从2023年的258.7亿美元增长到2030年的1,290.2亿美元，复合年增长率为25.8%。
高集成、可配置的无线充电解决方案
Infineon公司的WLCx系列产品将高度集成和高端客制化选项相结合，以满足Qi充电IC标准，以及专有充电要求。其中，WLC1115是一款高集成度、可编程的无线功率发射器控制器，适用于15W无线充电应用，可实现符合新近Qi标准的解决方案，确保更高的能源效率和更快的充电速度。WLC1115支持Qi2充电模式，如磁功率模式（MPP）协议、扩展功率模式（EPP）协议和基本功率模式（BPP）协议。WLC1115发射端控制器IC集成了USB-PD芯片、Buck压降电路、感应器件、软件和Qi2系统。
具体来讲，WLC1115是一款高度可编程的无线功率发射器和集成USB-PD接收器解决方案，具有片上32位Arm Cortex-M0处理器、128KB闪存、16KB RAM和32KB ROM，可方便地进行配置更改，以定制和调整FOD等重要参数。它还包括各种模拟和数字外围设备，如ADC、PWM和定时器。其包含具有模拟和数字外围设备的完全可编程MCU，可实现可扩展的无线发射机解决方案。
图9显示了WLC1115在15W Qi v1.3.x无线电发射器解决方案中的典型应用，该解决方案用于基于MP-A11 Qi发射器线圈的固定频率和电压控制。系统的输入电源通过Type-C PD接收器为降压转换器供电。降压转换器为全桥逆变器供电，进而驱动发射器线圈。WLC1115使用降压转换器来控制逆变器桥电压（VBRG），以调节向接收器供电的发射器线圈的功率流。双运算放大器用于将幅移键控（ASK）调制功率信号转换为二进制信号。此外，WLC1115还使用数字逻辑对二进制信号进行解码。此外，Infineon的OPTIGA信任安全IC通过I2C接口连接，以满足Qi v1.3.x的身份验证要求。
图9：WLC1115在15W Qi v1.3.x无线电发射器解决方案中的典型应用（图源：Infineon）
本文小结
纵观当下的快充市场，在有线充电领域，我们很高兴地看到，USB PD已成为Android和iOS生态系统中智能手机充电的事实标准。USB PD在笔记本电脑市场也很受欢迎。在高功率端，许多笔记本电脑已经普遍配备USB-C充电端口。
根据USB PD规范，功率限制为100W（5A时为20V）。但USB PD修订版3.1在相同的5A下增加了扩展功率范围（EPR）、28V、36V和48V模式，高可达240W。目前虽然只有少数设备支持这一功率水平，但可以预见，在未来几年，这将是一个不断增长的产品群体。
无线充电方面，其发展相比USB PD略显缓慢，围绕Qi作为无处不在的行业标准各品牌应紧密团结起来。不过随着Qi标准的普及，无线充电的效率和便利性已经得到了显著提高。线圈设计、电源管理和对准技术的进步更是带来了更高效的能量传输和更快的充电时间。总体而言，无线充电技术的进步正在使其从小众创新转变为主流解决方案。
