在智能手機領域，延長電池壽命和快速充電技術一直是個熱門話題?？焖俪潆娨殉蔀楫斀?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/107/" target="_blank">手機的必備功能。今天的快速充電智能手機的功率范圍在18W到120W之間，充電時間從20分鐘到一個多小時不等，市場上甚至有240W的超快速充電手機。而且如今，快速充電不僅限于有線充電，無線充電也在這場創新活動中扮演著重要角色。

USB PD正在改變現有充電方式

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

USB PD自2012年以來一直存在，并在USB-C端口問世后不久推出。在推出之前，唯一可用的通用選項是USB電池充電規范，它的速度要慢得多。得益于這項技術，智能手機、筆記本電腦和其他支持USB-C的設備實現了更快的充電速度。

USB PD功能更強大，也更安全，因為受電設備和充電器通過USB電纜相互通信，以確認極佳充電功率水平。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）標準也支持可配置的電壓，從而實現了更優的充電策略。如果兩個設備無法通信合適的電源規則，USB PD將默認為相關USB協議支持的下一個電源選項，如USB-C 1.5A。

USB PD在其生命周期中經歷了幾次迭代。初始的USB PD 1.0為不同的設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。對于各種各樣的受電設備，包括偏好低電壓充電的小型智能手機電池來說這種配置不太靈活。

后來的USB PD 2.0和3.0版本放棄了固定配置文件，轉而采用更靈活的電源規則。這些規則保留了固定的電壓范圍，但允許更廣泛的協商電流水平，而后成為一個非常適合各種設備需求的標準。USB PD 3.0還擴展了通信協議，以支持電池狀態、增強的安全性和快速角色交換等功能。

大多數現代智能手機、筆記本電腦、平板電腦和可穿戴設備都支持USB PD 2.0和3.0規范。25W至45W的功率對于智能手機來說是相當典型的，而今天的筆記本電腦的功率高達100W甚至更高。盡管支持多種設備，但USB PD不會以相同的速度為每個設備充電。使用USB PD時，每個設備的快速充電能力將對充電時間產生影響。

USB PD的新版本USB PD 3.1于2021年發布。它進一步擴展了功率水平，支持高達240W充電能力。這種增強功能迎合了更廣泛的設備和高功率應用，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備提供高達240W的充電功率。

USB PD是如何工作的？

與傳統的USB功率標準（USB 3.0的功率通?？蛇_2.5W或15W）不同，USB PD允許正在充電的設備和充電器本身之間進行功率協商，可以從5W到100W不等，具體取決于設備請求的功率，以確保極佳的功率輸送，防止過度充電或充電不足。

USB PD支持多種電壓電平（5V、9V、12V、15V和20V）和高達5A的電流，允許在各種設備上進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等高功率設備，也適用于功率較小的小型電動工具。通過動態調整功率水平，USB PD充電器可使設備實現比傳統方法更快的充電，許多智能手機在30分鐘內能充電到50%或更多。USB PD的另一獨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USB PD電源充電，而且筆記本電腦本身也可以作為智能手機或外部配件等較小外圍設備的電源。

USB PD控制器是支持USB Type-C接口并實現USB PD充電協議的硬件設備。該控制器通過Type-C接口提供高功率充電能力，使設備能夠支持更快、更高效的充電。

QYResearch的新近研究表明，全球USB PD控制器市場預計將從2024年的1.64億美元增長到2030年的4.19億美元，預測期內的復合年增長率（CAGR）為17.0%。

圖3：2024--2030年USB PD控制器市場預計將出現快速增長（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市場的41%。其中，Texas Instruments是全球主要的USB PD控制器制造商，市場份額超過11%。

Texas Instruments公司的TPS25730是一款高度集成的獨立式USB Type-C和USB PD控制器，針對支持USB-C PD電源的純接收應用進行了優化，支持高達20V/100W輸出。TPS25730集成了完全管理的電源路徑與強大的保護功能，可提供完整的USB-C PD解決方案，還可通過使用內部柵極驅動器來控制外部電源路徑。TPS25730非常適合之前由桶形插孔供電的純接收應用。使用電阻器引腳strap配置，用戶可在其平臺上使用TPS25730實現功能齊全的USB Type-C PD端口，無需外部EEPROM、外部微控制器或任何類型的固件開發。

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

支持240W擴展功率

USB是一個有著近30年歷史的標準，現在，大多數筆記本電腦都至少有一個USB-C端口。此外，許多其他移動設備已經切換到USB-C，同時市場上USB-C電源適配器的數量也明顯增加。汽車制造商也開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的充電選項。

從USB Power Delivery 3.1開始，通過單根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將在所有歐盟國家強制用于許多應用。業界的愿景是，2025年后，功率高達240W的許多電子設備將采用USB-C作為數據通信和充電的標準端口。屆時，借助USB PD技術，我們可以為任何USB設備充電高達240W，包括5V或15V設備、45W手機和160W筆記本電腦。接下來，如電動工具、電動自行車或消費類3D打印機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立USB Type-C和USB PD控制器，支持240W擴展功率范圍。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間。直觀的基于網絡的GUI開發工具，也有助于降低USB PD解決方案開發的復雜性。

圖6：TPS26750應用框圖
（圖源：Texas Instruments）

總之，USB PD作為一種標準，旨在增強USB連接的電源傳輸和充電能力，特別是隨著USB Type-C的引入，它允許設備協商所需的功率，并動態調整所提供的功率，提供高達100W甚至240W的功率。

這意味著USB PD能夠為更多類型的電子設備充電，并大大縮短充電時間，同時提高了安全性和效率。通過提供更快的充電速度、更高的效率，USB PD有望實現通過單個充電器為各種設備供電，并引領一個更精簡、更通用的電源生態系統的建立。

無線充電技術的演變

無線充電技術自誕生以來走過了漫長的道路，其早期迭代面臨著重大的局限性。由于能量傳輸的效率相對較低，無線充電與有線充電相比充電時間更長，充電范圍也很小，且需要充電板和設備之間的精確對準。此外，這些早期的無線充電器通常體積龐大且價格昂貴。

無線充電技術發展過程中極重要的里程碑之一是無線充電聯盟（WPC）于2008年引入Qi標準。Qi標準旨在創建一種通用的無線充電協議，供不同行業的制造商采用。包括蘋果和三星在內的主要科技公司均采用了Qi標準，進一步加速了其被主流產品接受和整合的力度。

Qi標準依賴于感應充電技術，線圈設計、電源管理和對準技術的進步為其帶來了更高效的能量傳輸和更快的充電時間。新近的無線充電器現在可以提供與傳統有線充電器相當的功率水平。

幾個關鍵的里程碑和突破加速了無線充電技術的發展。一個值得注意的創新是引入了諧振電感耦合，這為在充電板上定位設備帶來了更大的靈活性。該技術能夠在更寬的范圍內實現更高效的能量傳輸，解決了早期感應充電系統的主要局限性之一。另一個突破是多設備充電板的開發，能夠同時為多個設備充電。

無線充電還有一個令人興奮的發展趨勢，就是是射頻（RF）充電的使用。射頻充電通過將無線電波轉化為電能，使設備能夠在更長的距離內進行無線充電。這項技術可能消除與充電板的物理接觸，使設備在射頻發射器的范圍內自動充電。

Qi是移動無線充電領域采用極廣泛的標準。與USB PD一樣，該標準也經過了多次修訂，提高了標準的電源能力和通信用例。Qi還實現了反向無線充電，允許手機為其他無線設備反向緩慢充電。由于這種充電方法中沒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。

ICT投資的增加和感應充電領域“玩家”數量的增長，促進了無線充電在各個垂直行業的使用，也增加了其市場份額。根據Fortune Business Insights的預測，2022年，全球無線充電市場規模約為221.7億美元，預計將從2023年的258.7億美元增長到2030年的1,290.2億美元，復合年增長率為25.8%。

高集成、可配置的無線充電
解決方案

圖8（圖源：Freepik）

Infineon公司的WLCx系列產品將高度集成和高端客制化選項相結合，以滿足Qi充電IC標準，以及專有充電要求。其中，WLC1115是一款高集成度、可編程的無線功率發射器控制器，適用于15W無線充電應用，可實現符合新近Qi標準的解決方案，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）協議、擴展功率模式（EPP）協議和基本功率模式（BPP）協議。WLC1115發射端控制器IC集成了USB-PD芯片、Buck壓降電路、感應器件、軟件和Qi2系統。

具體來講，WLC1115是一款高度可編程的無線功率發射器和集成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，可方便地進行配置更改，以定制和調整FOD等重要參數。它還包括各種模擬和數字外圍設備，如ADC、PWM和定時器。其包含具有模擬和數字外圍設備的完全可編程MCU，可實現可擴展的無線發射機解決方案。

圖9顯示了WLC1115在15W Qi v1.3.x無線電發射器解決方案中的典型應用，該解決方案用于基于MP-A11 Qi發射器線圈的固定頻率和電壓控制。系統的輸入電源通過Type-C PD接收器為降壓轉換器供電。降壓轉換器為全橋逆變器供電，進而驅動發射器線圈。WLC1115使用降壓轉換器來控制逆變器橋電壓（VBRG），以調節向接收器供電的發射器線圈的功率流。雙運算放大器用于將幅移鍵控（ASK）調制功率信號轉換為二進制信號。此外，WLC1115還使用數字邏輯對二進制信號進行解碼。此外，Infineon的OPTIGA信任安全IC通過I2C接口連接，以滿足Qi v1.3.x的身份驗證要求。

圖9：WLC1115在15W Qi v1.3.x無線電發射器解決方案中的典型應用（圖源：Infineon）

本文小結

縱觀當下的快充市場，在有線充電領域，我們很高興地看到，USB PD已成為Android和iOS生態系統中智能手機充電的事實標準。USB PD在筆記本電腦市場也很受歡迎。在高功率端，許多筆記本電腦已經普遍配備USB-C充電端口。

根據USB PD規范，功率限制為100W（5A時為20V）。但USB PD修訂版3.1在相同的5A下增加了擴展功率范圍（EPR）、28V、36V和48V模式，高可達240W。目前雖然只有少數設備支持這一功率水平，但可以預見，在未來幾年，這將是一個不斷增長的產品群體。

無線充電方面，其發展相比USB PD略顯緩慢，圍繞Qi作為無處不在的行業標準各品牌應緊密團結起來。不過隨著Qi標準的普及，無線充電的效率和便利性已經得到了顯著提高。線圈設計、電源管理和對準技術的進步更是帶來了更高效的能量傳輸和更快的充電時間。總體而言，無線充電技術的進步正在使其從小眾創新轉變為主流解決方案。