电路板用usb供电 (小型usb供电设备)

写在前面……

越来越多的周边电器产品,越来越多的使用USB供电,不仅是供电设备采用通用的USB电源适配器,也越来越多的使用标准的USB接口,例如MicroUSB接口、Type-C接口等,原来常见的DC头也越来越少。

  • 电源适配器的现状

随着手机作为个人数据中心的普及与发展,手机充电成为应用顺行的关键,无论是手机的电源适配器还是充电宝、无线充等多种解决方案,充电接口已基本统一到USB上来了,USB适配器成为一个标准产品和标准配置,5V1A或5V2A是能够适配所有手机的基本配置,也是电源解决方案中的统一标准,实现无线充、充电宝和其它供电的需求。

小功率开关电源IC的发展,USB电源适配器无论是成本还是技术难度,都有极大的降低,使得电源适配器出现井喷式的发展,国内一些开关器件或PWM芯片厂家纷纷入局,这个产业空前繁荣。

同时,手机快充技术的发展,Type-C 3.0接口协议的逐渐推广,大功率输出的电源适配器成为通用产品,特别是高通阵营的QC协议与苹果阵营的USB PD协议的大力推广,使得100W以下的功率提供成为可能,砷化镓技术的高速发展,电源适配器的小型化、高效率成为可能,在为手机提供快速充电的情况下,也为数码周边产品电源给出简洁可行的方案。

  • 数码产品的供电

数码周边产品一般指的是采用数码技术和控制的小型用电产品,供电采用低压供电,也有采用电池供电的,按功能和用途常分为以下几类,

  1. 耳机或音响,常见的TWS耳机,蓝牙音箱,蓝牙耳机等
  2. 夜灯与照明,如小夜灯、感应灯、装饰灯等
  3. 充电宝与无线充电器,如苹果的MagSafe无线充等
  4. 加热与取暖设备,利用USB供电的加热杯,加热毯,暖手宝等
  5. 风扇与冷却设备,如手持风扇、半导体制冷等
  6. 个人护理电器,除异味装置、果蔬消毒机、负离子挂件等
  7. 消杀除菌类产品,紫外杀菌棒,消毒液生成机,空气消毒机等
  8. 低功率家用电器,搅拌杯,小型粉碎机,加湿器,净化器等

这些产品的功率较小,供电一般均可采用USB适配器供电,常有带电池方式和直接供电方式。

采用电池的数码产品,最常有使用锂电池作为内置电源,使用USB适配器给产品供电时,采用专用的锂电充电管理芯片和电池保护芯片,根据用途规划稳压或升压芯片给设备供电。

直接供电的数码产品,大多数直接给设备供电,也有使用稳压或升压器件给设备供电的。

现有市场上,大多数采用micro USB接口做作为充电的物理接口,一是micro USB接口应用广泛,适配的USB适配器、连接线使用普遍,可替换性强;二是micro USB系列产品成熟,性能稳定,价格便宜,产品的性价比极高,用户接受度极好。

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micro USB连接线

随着在手机上的普及Type-C接口也逐渐在一些高配配置的数码电器设备上使用,特别是一些需要大功率、大电流的设备,也用在一些需要快速充电的数码设备上。

USB功率传输的变迁

随着USB接口的发展,其配电功率也逐渐提高,特别是USB3.0的发布,常用的数码电器都能使用USB接口供电和充电了。

  1. USB1.0 5V/500mA----1996.1
  2. USB2.0 5V/500mA----2000.4
  3. USB3.0 5V/900mA----2008.11
  4. USB3.1 20V/5.0A ----2013.12

USB标准接口也从最开始的2.5W发展到现在的100W(USB3.1)。

近日,USB-IF协会发布了最新的USB PD3.1快充标准,充电功率从原有的100W提升至240W,并支持最大48V的电压输出,一时间在行业获得广泛关注并引发热议。

USB Power Delivery从2010年发布USB BC1.2开始到2021年5月发布USB PD3.1协议,功率也由5V/1.5A/7.5W一路飙升至48V/5A/240W。

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USB PD协议发展

另外,高通公司(Qualcomm)也研发了快充技术Quick Charge(QC)。2020年高通(Qualcomm)推出商用快速充电技术Quick Charge 5(QC 5),可支持大于100W充电功率的快充晶片。其效率较前一代高70%,且充电速度快4倍;同时采用高通(Qualcomm)旗下充电功率智能识别配接器技术,可在最高电力转换传输效率下确保充电安全,因此可延长装置电池的寿命。

QC快充技术推出的历史版本如下:

  1. QC 1.0支援10W
  2. QC 2.0支援15W
  3. QC 3.0支援18W
  4. QC 4 支援18W(A)/27W(B)
  5. QC 5 支援45W

快充技术的蓬勃发展,也为数码电器使用更大的功率成为可能。

充电管理芯片与充电管理电路

各个国际大厂纷纷推出锂电池充电及USB供电芯片,例如TI的 BQ25700A系列芯片,支持USB PD,提供3.5V至24V的宽输入电压范围,可以使用多个端口,包括USB 2.0、USB 3.0和USB Type-C。输出灵活。具备升压、降压和升降压功能。可为1节至4节锂离子电池充电。降压和升压操作之间可实现无缝转换,无任何死区。效率高,升降压充电器最高效率可达97%。

ADI+Linear(亚德诺半导体)、Renesas+Intersil(瑞萨电子)、Infineon+IR(英飞凌)、NXP(恩智浦)等国外大厂也提供了丰富的电池管理与充电芯片。国内一些厂家,如英集芯、圣邦微、智安芯、 拓品微等国内公司也推出丰富的、价格低廉的、功能齐全的芯片产品。

下图是使用国产芯片设计的一个典型的锂电池充电与电源管理电路,输入接口采用MicroUSB接口。

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micro usb 锂电充电电路

USB接口的数码周边产品

usb接口数码产品丰富纷呈,从小型家电到个人护理,从音响照明到充电取暖,应有尽有,我们看几个典型的产品。

  • 小夜灯

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Type-A接口USB小夜灯

  • 加热杯

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microUSB供电加热杯垫

  • 消毒液制造机

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micro USB接口次氯酸钠(84)消毒水制造机

  • 车载磁吸无线充

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Type-C接口车载磁吸无线充电器

  • 紫外杀菌棒

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micro USB充电深紫外杀菌棒

  • 小型空气净化器

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桌面/车载空气净化器,USB锂电充电

各具特色的数码产品丰富的我们的生活,为我们衣食住行提供了别样的方便,实用且强劲的USB接口为这些数码设备提供了完毕且安全的供电方式,为这些产品使用的安全与方便保驾护航。