实现安全性与便利性的技术

了解这个改变生活的技术: 2 of 5

USB PD所提供的电力(最大100W)能够驱动PC或显示器,在确保安全性的同时,实现了极高的便利性。我们是靠怎样的技术来实现其便利性和安全性的呢?

丰富多彩的新功能

USB供电规格“USB PD3.0(以下称为USB PD)”中,一个端子最大可提供100W电力,能确保多台外围设备同时运转,并且不需要每个设备都配备AC适配器。USB PD的特征不仅仅是输出功率大,而且具有可瞬间在供电模式与受电模式之间进行切换的“FRS(Fast Role Swap)” 功能、以及不产生多余热量的快速充电的“PPS(Programmable Power Supply)”等功能。另外,最新版本新增的功能中最重要的一项是“C-AUTH”,利用该功能能够进行设备间的认证。接下来为您解说USB PD的特征和新功能。

已经不止是5V了

以往的USB中所使用的电压只有5V。但是,要驱动种类繁多的各种数码设备,只有5V是不够的。要实现快速充电或电机驱动,就需要更高的电压。为实现对各种各样装置的驱动,除了支持原本的5V电压外,我们还实现了对9V、15V、20V的电压支持(表1)。普通的USB Type-C™ 线最大可提供3A的电流,而USB PD用电缆线的技术规格则允许5A的电流通过。使其可提供的最大功率增长至100W。

PD 功率 5V 9V 15V 20V
15W以下      
超过15W,但在27W以下 3A    
超过27W,但在45W以下 3A 3A  
超过45W,但在60W以下 3A 3A 3A
超过60W,但在100W以下 3A 3A 3A *

*使用5A电缆线。如使用3A电缆线,电流不可超过3A

表1:供电源应具备的电压、电流条件(是根据PD功率来确定其电流值)

由于电压的多样化,使用起来会很麻烦。假设有一台12V2A(24W)的设备,还有一个标有“27W”字样的AC适配器。这个AC适配器能输出多少V电压,使用者是不知道。那么到底可不可以接入这个27W的AC适配器呢?

为了解除这样的疑惑和困扰,制定了“功率规则”。在说明什么是功率规则之前,先来介绍一下USB PD世界中所用的名称。像上文中的AC适配器一样的供电一方叫做“供电源”,受电一方叫做“受电端”。

下面就用USB PD术语来进行说明。功率规则指的是在“供电源的电力值(W的值) ≥ 受电端的电力值(同)”的情况下,为确保设备能够正常运行而设计的规则。就拿刚刚那个例子来说,就算受电端向作为供电源的AC适配器表示“想要12V”,但这并非是有供电义务的标准电压。12V以下的标准电压中,最高的是9V。若供电源本身不支持12V的电压,则提供9V。另一方面,如果受电端的要求电压不是标准电压,则该受电端在设计上需要满足在低于所要求电压的所有标准电压中选用电压最高的一个来供电也能够正常运行。在这个例子中,由于AC适配器仅支持标准电压,若提供9V的电压,电流就会变为2.67A。对于设备而言,光是支持2A的电流是不够的,必须使之能够支持2.67A这样的大电流。由于供电在3A以下,因此可使用标准的USB Type-C™线进行供电。使用者可以像这样利用功率规则轻松判定设备是否能够运行。

  USB PD2.0 USB PD3.0
目标连接器 Type-A, Type-B, Type-C™* 仅Type-C™
最大功率 100W 100W
功率规则 仅在使用Type-C™时适用
Fast Role Swap (FRS) -
Programmable Power Supply (PPS) -
支持国际标准(IEC63002) -
设备间认证(C-AUTH) -

*不同版本略有差异

表2:比较USB PD2.0和USB PD3.0

瞬间更换供电和受电的关系

第1回中介绍的FRS是一种令人期待的技术,它极大地改变了USB传统供电方式。它能够瞬间切换供电源和受电端的关系。例如有某台设备作为供电源,先给一个电池(受电端)进行着充电,接下来电池作为供电源,设备作为受电端,电缆线的连接原封不动,从电池向设备供电。FRS是一种即使与设备相连的电源突然断掉,也能在短时间内(150μs以内)对供电源和受电端进行互换,令系统能够继续运行下去的功能。

减少电力损耗的PPS

PPS是一种能细微地改变电压和电流的功能。与支持PPS的供电源相连接,即可满足受电端的电流和电压的细微要求。这一功能可在充电时有效减少电力损耗。

在具有代表性的锂电池充电方式中,首先进行的是恒定电流充电,保持电流一定,慢慢增大电压;然后进行恒定电压充电,保持电压一定,慢慢减小电流(图1)。以往的USB只能提供5V的电压,即便是以前的USB PD,也无法细微地改变电压和电流,进行锂电池充电时,向受电端提供较高的电压,在受电端调整电压和电流。但如此一来,锂电池的端子电压和供电电压之间的电压差会导致热量的产生,从而造成电力损耗。使用PPS,通过在供电端细微地改变电压和电流,即可得到所需的电压模式供电,抑制发热并减少电力损耗。

图1:快速充电的电压和电流模式

图1:快速充电的电压和电流模式。由于需要在保持电流一定的前提下,逐渐增大电压、或者在保持电压一定的前提下,逐渐减小电流等操作,这正好可以发挥PPS的特长

利用设备间认证来确保安全性

USB PD新增了一个极为重要的功能,利用该功能能够实现设备间认证(C-AUTH)。只要通过USB规格的制定团体USB-IF的规格测试,即可作为认证产品,获得USB logo mark的使用许可。但是,即使亲眼看到了产品,也无从知晓它到底是经过认证的产品还是未经认证的产品。为了对此加以区分,USB PD3.0中导入了一种叫做USB Authentication的机制。

顺便一提的是, Authentication和Certification都可翻成“认证”。为了区分它们,本稿中将Authentication意译成了设备间认证(C-AUTH)。关于设备间认证,将在下次进行详细说明。

这次所介绍的技术不同于Type-C™线的USB数据通信,它是通过设备管理相关的通信专用信号线(CC: Configuration Channel)发送信息来实现的(图2)。与之前用电源线传输信息的版本相比,大大增加了通信的准确性和稳定性,能应对严格的时间要求。最新的USB PD还能进行国际标准(IEC 63002)所定的电源与设备间的通信。据此,USB PD成为基于国际标准的协议。在国际协定中,政府和部分公共企业所使用的产品目前都需要遵循国际标准。因此,采用USB PD的产品在供应时将会居于有利地位。

图2: USB Type-C™ 的双PIN配置“CC”PIN被用于通信

图2: USB Type-C™ 的双PIN配置“CC”PIN被用于通信

USB PD3.0灵活运用通信,实现了各种新功能。下次我们将对USB PD的安全性在规格上的考虑进行说明。