近日,USB-IF協會發布了最新的PD3.1標準,可以支持最高48V的電壓,同時充電功率達到240W。此次新的PD標準是在PD3.0的基礎上進行擴充,新增了28V、36V、48V三種拓展輸出電壓。
目前主流3C快充方案仍然集中在18W-100W左右,而最新的標準顯然已經遠遠超過了目前電子產品的充電水平。如小米也在近期公開了自己200W的快充方案,顯示充滿4000mAh時間僅為6分鐘左右,以此推斷,240W的快充充滿時間將縮短至5分鐘左右,從充電時間來看,提升的幅度顯示是巨大的。
PD即將一統充電市場?
功率提升至240W,也會帶來一些其他應用上的挑戰。同時,當前手機廠商的高端旗艦手機充電功率也主要集中在65W-100W左右,想要真正應用PD3.1,還需要一定的時間。
寶礫微電子銷售總監肖祥富在接受電子發燒友記者采訪時表示,PD3.1將功率提升至240W是一個具有前瞻性的標準,如今產品中的電池容量越來越大,對于充電功率的需求肯定是越來越高。但從目前大多數便攜式電子設備使用情況來看,使用100W充電功率的都很少,即便是家用電子產品,如筋膜槍、按摩儀等,都無須使用到這么大的功率,許多產品暫時還用不上。
想要使用240W的快充,還有一個阻礙在于電池。高功率一般需要4串或者6串的電池,如儲能電池,或白色家電才會使用。而便攜式移動設備,如手機等僅有一塊電池,使用65W的快充已經夠用,如果放入100W,甚至如今的240W快充,對于安全性是一個很大的挑戰。
除了安全性以外另一個是實用性,如今手機快充已經可以達到半小時以內充滿,即便換一個240W的快充,將充電時間縮短至10分鐘以內,對于消費者的有多大的意義,有多少消費者愿意為之買單是一個問題。
各廠商的快充協議|國元證券
值得注意的是,目前快充市場中仍然充斥眾多的協議,如高通QC、PD、OPPO的VOOC、華為SCP以及小米的PPS等,但如今PD3.1的頒布,充電功率已經達到較高水平,即便是小米最新發布的200W充電方案,相比PD3.1仍有一定差距。同時PD3.1的標準制定,有近百家企業的500余位行業專家共同參與,華為、小米、聯想、立訊精密、慧能泰等企業都參與其中,這是否意味著PD協議統一的時代正在拉開帷幕。
對此,茂睿芯市場經理周銀認為,這些頭部的手機廠商,都具有很強的研發實力,盡管這些大廠參與到了標準的制定,但他們的私有協議仍然會繼續發展,每個廠商都還是會依據自己的優勢去做私有協議的開發。相反,對于PD協議而言,反而會主動擁抱其他協議,如在PD3.0時期已經將高通的QC協議完全包容在內。
肖祥富也認為短期內廠商并不會放棄私有協議,因為這里面涉及許多商業因素,以及專利保護在里面,貿然放棄,損失巨大。不過長期來看,協議一定是走向統一的,在蘋果、華為等廠商相繼取消附贈充電頭后。用戶一定會選擇能夠公用的充電器,即PD協議。
為何仍然選擇5A?
新的PD標準,除了將功率提升至240W以外,值得注意的是,其電流仍然保持在5A,只是提升了電壓。主要原因在于高壓高電流雖然能極大提高充電功率,但受到安全性與技術的限制,暫未得到大范圍商用。
茂睿芯方面表示,電壓提高到48V,但電流仍保持在5A,主要有兩個限制,一個是功率器件的耐壓等級,48V總線可以充分利用目前市場中大量使用的80V-100V功率器件進行設計,在提升性能的同時,優化成本;另一個則是需要考慮到安全電壓的等級,在設計時需要考慮有20%的過電壓,如果電壓48V,則需要設計電壓為58V左右,這個設計仍然處于60V以下的安全范圍內,因此PD3.1標準將電壓定在了48V。對于茂睿芯而言,目前來看在設計上并沒有多少困難。
肖祥富進一步闡述到,當前按照國際標準,DC低于60V以下,屬于安全電壓,因此目前提升至48V并沒有太大的關系。但如果提升電流,會導致成本和功耗的增加。PD3.1將電壓設置在48V/5A,相對于成本的增加幅度會低于低壓大電流的的標準。
以常規的電子元器件來舉例,如果現在使用的電壓為20V,采用一個30V左右的MOS管,這時候需要將電壓提升至48V,那么選擇低端的60V、80V或者100V的MOS管,成本差異不大。
如果現在是一個20V5A的產品,可以選擇100A的MOS管,如果要提高至20V12A,則需要選擇更高電流的MOS管,成本差異很大。
另一個是充電的數據線,目前市場中支持100W功率充電的數據線價格大概在幾十元左右,但如果買一根支持12A的數據線,花費的成本可能需要翻倍。因為電流越大,需要的線材就越粗。
要不然會出現兩個問題,一個是充電時線材會發燙,溫度升高;另一個則是USB接口,不論是C口還是A口,大部分連接器支持到5A已經經過特殊處理,在材質結構上均經過了調整。
如果要支持到12A,其成本將會顯著上升。而在安全性上來看,電流越大,意味著溫度越高,也可能更容易導致火災等危險的發生。
周銀表示,如今PD3.1標準在電流仍然保持5A,意味著線材中的成本不會上升太多,主要的成本變化在于emark芯片。在PD3.0中,當電流超過3A時,就需要這顆芯片來進行輔助。不過如今電壓提升至48V,意味著emark芯片的耐壓等級的提高,需要重新設計,數據線的成本主要體現在這里。
另一方面,目前在工業界已經存在240W的充電方案,但需要落實到PD3.1標準中,還需要進行適配。同時PD3.1中增加了EPR(擴展功率)功能,主要擁有15V-28V、15V-36V、15V-48V三個檔位。茂睿芯表示,15V-36V輸出的場景,現有方案就可以實現,但是15V-48V的優化方案業界還在探索中。
PD3.1為行業帶來的意義:跨界統一
有機構判斷2021年全球快充市場預計達到3000億元,市場空間廣闊。受到世界經濟復蘇及iPhone取消標配充電頭的積極影響,第三方廠商將迎來較大發展機遇。同時在PD3.0時,100W的充電功率已經能夠滿足智能手機、平板電腦、筆記本電腦等各種電子設備的充電需求,如今功率提升至240W,極大提升了該標準的使用場景。
PD快充協議范圍|國元證券
這對于國內廠商而言是一個極大的機遇,肖祥富表示,PD3.1快充協議的普及,快充的使用場景將獲得了極大地拓展,不僅是應用在3C產品中,還能夠應用到電動兩輪車、家電甚至電動車領域中。
尤其在電動兩輪車領域,周銀表示,當前電動兩輪車充電器功率大概在200W-300W,PD3.1完全可以滿足這些產品的充電需求,茂睿芯目前也正在與電動兩輪車公司積極溝通,希望能夠盡快實現。
當前茂睿芯主要集中在電動兩輪車的電池管理與中控臺相關產品,而電動兩輪車的充電器這一塊,目前并未有太多的涉足。當下的兩輪車充電器并不強制要求PFC(功率因數校正),而PD3.1則需要PFC。
沒有PFC容易導致產生安全性問題,比如電動兩輪車的電池易發生起火現象,這是由于線材通常設計為5A,但如果功率因數較差時,電流會陡然增大導致火災的發生。如果能夠將PD3.1協議應用在電動兩輪車領域中,將極大地提升安全性。對于廠商而言,也將擴大自己的業務范圍。
不過PD3.1標準的普及并非短時間就能實現的,PD3.0已經發布了數年,才在2020年開始得到爆發,這還是由于蘋果等大廠宣布不再做充電頭才將市場點燃,而此前許多廠商盡管將PD快充應用在手機、筆記本電腦中,但并未真正的引爆市場。肖祥富表示,至少在兩三年內,還是會以100W以內的充電器為主。
小結
新發布的PD3.1標準,不僅又將充電時間向前推了一大步,更重要的是,不僅能夠滿足傳統的3C產品,還能滿足其他電子產品的充電需求,如電動兩輪車、無人機。不過新標準的推出,一般都需要長時間的檢驗與普及,不過對于上游芯片原廠而言,應用何時能起來并不是最重要的,只需要將技術做好,能夠滿足客戶要求才是最重要的。
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