獨(dú)立供電控制器如何簡(jiǎn)化 USB-C PD 設(shè)計(jì)

USB 供電 (PD) 市場(chǎng)在便攜式、電池供電的電子設(shè)備（如手機(jī)、筆記本電腦、無線揚(yáng)聲器、電動(dòng)工具等）中持續(xù)增長(zhǎng)。USB PD 為消費(fèi)者提供了極大的好處，因?yàn)樗梢詮耐粋€(gè) USB Type-C 連接器提供高達(dá) 240W（在 USB PD 修訂版 3.1 規(guī)范中）的功率。圖 1 描繪了通過 USB Type-C 連接器為手機(jī)充電的情況。

USB PD 提出了新的電源要求挑戰(zhàn)，因?yàn)橛卸喾N可用的電壓和電流組合——5V、9V、15V、20V、28V、36V、48V 和 1.5A、3A、5A 等——以提供廣泛的電源USB PD標(biāo)準(zhǔn)可以提供。在電源通過 USB 電纜供電之前，電源（例如壁式適配器）和嵌入式設(shè)備（例如手機(jī)）分別以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魉絺鬟_(dá)它們的電力能力和電力需求。

一些解決方案需要多個(gè)集成電路 (IC)，包括用于供電的端口檢測(cè)器、微控制器和充電器。雖然這些解決方案有效，但它們占用了電路板上的空間，增加了解決方案成本，并且需要定制固件，而創(chuàng)建這些固件可能很耗時(shí)。

獨(dú)立的 PD 控制器可以通過管理功率協(xié)商來幫助解決這些挑戰(zhàn)，而無需開發(fā)固件。

本文將簡(jiǎn)要介紹 5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V 電壓軌的同化如何提供電力傳輸?shù)亩喙δ苄?，從而減少房屋周圍的電纜。然后介紹了 Analog Devices 的 MAX77958 獨(dú)立 PD 控制器，該控制器通過包括端口檢測(cè)和非易失性存儲(chǔ)器而無需定制固件。

USB-C PD 電源要求

USB PD 的顯著優(yōu)勢(shì)之一是允許消費(fèi)者使用相同的電纜和電源適配器為其 2.5W 手機(jī)和 25W 無繩電鉆充電。抽屜里裝滿不同電纜或永遠(yuǎn)找不到正確充電器的日子將成為過去。

在我們開始研究 USB PD 之前，有必要重新審視以前的 USB 標(biāo)準(zhǔn)，以了解 USB PD 的一些優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。第一個(gè) USB 標(biāo)準(zhǔn)——USB 1.1 和 USB 2.0——用于數(shù)據(jù)傳輸而不是電力傳輸。它們僅允許通過 USB 電纜提供最大 5V 和 500mA 的電流。

隨著時(shí)間的推移，消費(fèi)者開始對(duì) USB 提出更多要求。他們想通過 USB 電纜快速為電池充電，此時(shí) 500mA 的最大電流已經(jīng)不夠用了。BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)允許通過 USB 電纜傳輸高達(dá) 7.5W（5V 和 1.5A）的功率，從而滿足了這些消費(fèi)者的需求。

BC 1.2 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了通過 USB 為電池充電的能力，BC1.2 之后的每個(gè)新 USB 標(biāo)準(zhǔn)都增加了電源容量。Type-C 1.3 將功率能力擴(kuò)展到 15W（最大），而 USB PD 3.0 將系統(tǒng)功率升級(jí)到 100W（最大）。最新的規(guī)范更新 USB PD3.1 將功率能力進(jìn)一步擴(kuò)展至 240W（最大值）。

BC1.2 和 Type-C 1.3 繼續(xù)提供所有以前版本的 USB 標(biāo)準(zhǔn)中使用的 5V 電壓軌，并通過將最大電流增加到 1.5A 和 3A，將功率能力分別增加到 7.5W 和 15W。USB PD3.0 還增加了電流和電壓能力，達(dá)到 100W（最大值）。它允許兩個(gè)設(shè)備通過 USB 電纜傳輸高達(dá) 20V 和 5A 的電流。新的 PD3.1 規(guī)范支持高達(dá) 48V 和 5A。

圖 2 總結(jié)了每個(gè) USB 標(biāo)準(zhǔn)允許的功率能力以及最大電流和電壓。

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圖 2. 每個(gè) USB 規(guī)范的電源能力。

USB PD 電源提供的電壓軌是可變的。USB PD 3.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電源不僅必須提供 5V 的最小電壓和 48V 的最大電壓，而且還必須提供一些介于兩者之間的電壓軌。

USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)要求電源根據(jù)電源的功率能力提供特定的電壓軌?？商峁┏^ 15W 的電源必須提供 5V 和 9V 電源軌。那些能夠提供超過 27W 的必須提供 5V、9V 和 15V 電源軌。最后，能夠提供超過 45W 的電源必須提供 5V、9V、15V 和 20V 電壓軌。

電源還在每個(gè)電壓軌上提供不同的電流輸出。帶有 5V 軌的電源在該軌上提供 500mA 和 3A 之間的電流。具有 9V 電壓軌的那些在 9V 下傳輸 1.67A 和 3A 之間的電流。電源在 15V 軌上提供 1.8A 和 3A 之間的電流。最后，電源在 20V 時(shí)提供 2.25A 和 5A 之間的電流（圖 3）。

USB PD 3.1 標(biāo)準(zhǔn)增加了三個(gè)額外的電源電壓軌。電源提供 28V、36V 和 48V 的固定電壓軌，分別支持高達(dá) 140W、180W 和 240W 的功率水平。電源必須為每個(gè)電壓軌提供高達(dá) 5A 的電流。

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圖 3. USB PD3.0 電壓和電流能力。

除了標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流供應(yīng)，USB PD 規(guī)范還提供可編程電源 (PPS) 功能。PPS 功能允許在線設(shè)備從電源請(qǐng)求電壓和電流的微小變化。

PPS 功能對(duì)于通過優(yōu)化開關(guān)充電器的工作點(diǎn)來加速鋰離子電池的充電非常有用。在一個(gè)充電周期的恒流階段，充電器為電池提供一個(gè)固定的電流，電池電壓會(huì)慢慢升高到最終充電終止電壓。通常，充電器的輸入是固定的，當(dāng)充電器的輸入遠(yuǎn)大于電池電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生功率損耗。PPS 功能調(diào)整充電器的輸入電壓，使其在接近峰值效率的情況下運(yùn)行。由于功耗更低，因此可以通過增加充電電流更快地為電池充電。

PPS 允許沿著 USB 電纜進(jìn)行無數(shù)的電壓和電流組合。想要使用 PPS 功能的設(shè)計(jì)人員必須找到一種方法，讓電源和串聯(lián)設(shè)備商定電源應(yīng)該提供多少功率。

USB-C PD 設(shè)計(jì)模塊

在獨(dú)立的 USB PD 系統(tǒng)下開始充電并非易事。電源（例如壁式適配器）通過 USB 電纜連接到嵌入式設(shè)備（例如電話或電鉆）。兩種設(shè)備通常都需要多個(gè) IC 來實(shí)現(xiàn)來回通信，以使電源準(zhǔn)備好為串聯(lián)設(shè)備供電（圖 4）。

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圖 4. USB PD 設(shè)計(jì)框圖。

CC 引腳檢測(cè) IC 通過測(cè)量 CC 引腳的電壓來識(shí)別電纜方向和源電流能力。該 IC 還請(qǐng)求電源的電壓和電流能力，并在串聯(lián)設(shè)備選擇電壓和電流時(shí)與電源通信。

BC1.2 檢測(cè) IC 支持傳統(tǒng) USB 適配器。盡管較新的設(shè)備更廣泛地采用 USB Type-C，但許多應(yīng)用仍使用較舊的 USB 規(guī)范。BC1.2 兼容端口具有 D+/D- 引腳而不是 CC 引腳來傳達(dá)電源的電源能力。BC1.2 檢測(cè) IC 讀取 D+/D- 引腳，為仍使用傳統(tǒng) USB 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用配置充電。

充電器 IC 安全有效地為直插式設(shè)備上的電池充電。電源將為嵌入式設(shè)備（充電器的輸入源）提供恒定電壓。然后，充電器將確保將電池充電至電池的電壓、電流和溫度規(guī)格。

最后，微控制器模塊 (MCU) 組織其他 IC 之間的通信。MCU 與 CC 引腳檢測(cè) IC 通信以確定電源的供電能力。然后，MCU 將電源的能力與充電器和電池的電力需求進(jìn)行比較，以確定電源應(yīng)提供多少電流和電壓。MCU 將最終的電源設(shè)置傳回 CC 引腳檢測(cè) IC，以正確配置電源。確認(rèn)正確的電流和電壓后，MCU 將配置和啟用充電器。

USB PD 需要比傳統(tǒng) USB 或標(biāo)準(zhǔn) Type-C 設(shè)計(jì)提供的更多元素。更多的 IC 會(huì)導(dǎo)致更高的成本和更大的解決方案尺寸。它還需要復(fù)雜的固件設(shè)計(jì)來管理不同元素之間的通信并滿足所有 USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)要求。除非設(shè)計(jì)人員對(duì) USB 規(guī)范有深入的了解，否則僅固件設(shè)計(jì)就可以創(chuàng)建更長(zhǎng)的開發(fā)周期。

獨(dú)立 PD 控制器

獨(dú)立 PD 控制器可以通過將 CC 引腳檢測(cè)、BC1.2 檢測(cè)和 MCU 集成到一個(gè) IC 中來幫助簡(jiǎn)化 USB PD 設(shè)計(jì)。四個(gè) IC 設(shè)計(jì)現(xiàn)在只有兩個(gè)，從而節(jié)省了電路板空間和成本。

集成到獨(dú)立 PD 控制器中最強(qiáng)大的元素是嵌入式 MCU，它集成了所有 USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和時(shí)序要求。設(shè)計(jì)人員不再需要花費(fèi)開發(fā)時(shí)間來了解這些規(guī)范。

一個(gè)獨(dú)立 PD 控制器的例子是 MAX77958 (圖 5)。MAX77958 的兩個(gè)獨(dú)特特性是非易失性存儲(chǔ)器和直接控制配套充電器的 I 2 C 主端口。這兩項(xiàng)功能都有助于消除對(duì)外部 MCU 和定制固件開發(fā)的需求。

圖 5. USB Type-C v1.3 和 PD 3.0 兼容的獨(dú)立 PD 控制器。

設(shè)計(jì)人員可以使用圖形用戶界面 (GUI) 為典型應(yīng)用生成定制腳本，然后將它們加載到 IC 的非易失性存儲(chǔ)器中。PD 控制器自動(dòng)執(zhí)行命令，例如切換 GPIO 或通過 I 2 C 主端口向充電器發(fā)送 I 2 C 命令。

自定義腳本是使用簡(jiǎn)單、用戶友好的命令在 GUI 中編寫的。該軟件將定制腳本轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制格式，并將其寫入 IC 配置區(qū)域。開發(fā)人員可以根據(jù)他們的應(yīng)用程序所需的功能定義簡(jiǎn)單的函數(shù)和序列。

圖 6 顯示了設(shè)計(jì)人員可用于對(duì)自定義腳本進(jìn)行編程的一些功能。GUI 根據(jù)自定義腳本輸出二進(jìn)制 (bin) 和十六進(jìn)制 (hex) 文件。自定義腳本是一項(xiàng)獨(dú)特的功能，可大大縮短開發(fā)時(shí)間。

圖 6. 自定義腳本的用戶編程。

結(jié)論

USB PD 規(guī)范極大地?cái)U(kuò)展了通過 USB 電纜充電的電池供電設(shè)備的數(shù)量。該規(guī)范概述了七種新的電壓軌要求——5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V——以幫助適應(yīng)廣泛的電源能力。電源和在線設(shè)備現(xiàn)在需要在充電開始之前協(xié)商電流和電壓水平。

獨(dú)立 PD 控制器將大多數(shù)模塊集成到一個(gè) IC 中，這有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。有些甚至消除了對(duì)外部 MCU 和定制固件的需求。獨(dú)立 PD 控制器有助于加速您的設(shè)計(jì)開發(fā)，以確保您始終領(lǐng)先于 USB PD 的最新趨勢(shì)。

一般參考：

USB 供電規(guī)范

“ USB Power Delivery ”，Bob Dunstan 和 Petrie 的演講，2019 年 11 月

“ USB-C 基礎(chǔ)知識(shí)”，Sagar Khare 的視頻，Maxim Integrated，現(xiàn)在是 ADI 公司的一部分，2020 年 6 月

“使用 USB Type-C 進(jìn)行設(shè)計(jì)并使用 Power Delivery 進(jìn)行快速充電”，Digi-Key，2017 年 3 月

“ USB 供電：方便和安全”，瑞薩電子

審核編輯 黃昊宇