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USB PD解決方案 資料傳輸+快充One for all

  • 周建勳/台北

近年,行動裝置設計主流追求更高效能、更大顯示屏、更多功能設計,為提供更優異的功能,大多選擇搭載超過3,000mAh甚至5,000mAh等級的鋰電池。陳景然教授過去曾在POWER IC大廠立錡科技任職,目前擔任國立台灣大學電機工程學系副教授,主要研究領域為電力電子, 轉換器控制與建模, 與電能IC研究,透過本次專訪,將分享其對USB PD技術看法。

以往的USB供電功率分別為USB 2.0最大2.5W,USB 3.0最大4.5W,大容量電池雖可有效提升整合新功能、高階元件設備電力需求,但實際上也會因此導致設備充電時間過久;受限早期USB介面傳輸電壓、電流規格限制,也讓USB供電特色在因應大電力設備的實用性受限,導致設備週邊不僅需資料傳輸線材,也需要額外配置專屬變壓器,不僅增加成本,更造成無謂的浪費。

國立台灣大學電機工程學系 副教授,主要研究領域為電力電子, 轉換器控制與建模, 與電能IC研究。

由於USB Power Delivery Specification(USB PD)規格可支援高達100W功率。陳教授提到,USB PD應用有多種優點,如支援快充、資料傳輸與供電同時進行,並具有環保議題,許多裝置可以共用一個充電頭,如手機、平板、筆記型電腦等支援Type-C裝置,隨著USB介面帶來極顯著的規格提升,甚至顯示器、印表機都能夠加入使用,由此推論,未來隨著Type-C普及應用,USB PD後勢相當看好。

最新的USB PD規格變化相當多,如進階電池管理、傳輸、充電協議的最佳化等,與用於主控設備、外接設備、傳輸線材等認證安全指令,已大幅增加原有USB介面設計的系統複雜度。由於USB PD可以輸出達100W電力,在高電壓與大電流使用情境下,充電或是驅動大電力設備的安全性則必須慎重看待,在裝置故障發生時不僅是無法使用的問題,而是可能出現燒毀甚至釀災,針對此電源解決方案的電力傳輸,充電器控制器之安全設計就相當重要。

USB PD的規格可支援高達100W功率的訊號源或接收裝置,但對某些應用來說,100W的功率已超過使用需求,多數終端設備開發業者多半僅會鎖定可提升充電效能方向著手,業界評估會以實現60W以內的中間電力輸出功率支援為主,較不會冒然直接提供高達100W的高額電力輸出支援,在實用性與安全性取得均衡的折衷設計。

在快速充電應用中,效率非常重要,當轉換器體積縮小時,易造成散熱不好,進而影響效率。GaN這種材料具備優異開關效能,用以製作電源轉換器電路會非常有吸引力,GaN可以使電源效率更高、溫昇更低、尺寸更小,實現大功率電源無散熱片設計。透過GaN開關替換IC常規高壓矽電晶體,可以降低電流流動期間的傳導損耗,並極大降低工作時的開關損耗,最終有助於大幅降低電源的能耗,從而提高效率。GaN開關除用在USB PD、高階手機充電器和筆記型電腦等移動設備,還可以用在各類家電、PC、遊戲機和伺服器等產品的電源轉換器中。