使用獨(dú)立的PD控制器簡化USB-C PD設(shè)計

獨(dú)立的 PD 控制器無需開發(fā)固件即可管理電源協(xié)商，從而幫助解決解決方案尺寸和成本等設(shè)計挑戰(zhàn)。本文將簡要介紹5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V電壓軌的同化如何提供供電的多功能性，減少房屋周圍的電纜需求。然后，它引入了一個獨(dú)立的PD控制器，通過包括端口檢測和非易失性存儲器，消除了對自定義固件的需求。

介紹

便攜式電池供電電子設(shè)備（如手機(jī)、筆記本電腦、無線揚(yáng)聲器、電動工具等）的 USB 供電 （PD） 市場持續(xù)增長。USB PD為消費(fèi)者提供了巨大的好處，因?yàn)樗梢詮耐粋€USB Type-C連接器提供高達(dá)240 W的功率（在USB PD Revision 3.1規(guī)范中）。圖 1 顯示了通過 USB Type-C 連接器充電的手機(jī)。

USB PD 帶來了新的電源要求挑戰(zhàn)，因?yàn)樘峁┒喾N電壓和電流組合（5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V、48 V 和 1.5 A、3 A、5 A 等），以提供 USB PD 標(biāo)準(zhǔn)可以提供的寬范圍電源。電源（如墻上適配器）和串聯(lián)設(shè)備（如手機(jī)）在電源通過 USB 電纜供電之前，分別以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魉絺鬟_(dá)其電源能力和電源需求。

一些解決方案需要多個集成電路 （IC），包括端口檢測器、微控制器和用于供電的充電器。雖然這些解決方案有效，但它們會占用電路板上的空間，增加解決方案成本，并且需要自定義固件，創(chuàng)建固件可能非常耗時。

獨(dú)立的 PD 控制器無需開發(fā)固件即可管理電源協(xié)商，從而幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

USB-C PD 電源要求

USB PD的顯著優(yōu)勢之一是允許消費(fèi)者使用相同的電纜和電源適配器為2.5 W手機(jī)和25 W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。

在我們了解USB PD之前，我們必須重新審視以前的USB標(biāo)準(zhǔn)，以了解USB PD的一些優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。第一個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 5 V 和 500 mA 的最大電流。

隨著時間的推移，消費(fèi)者開始對USB提出更多要求。他們希望通過USB電纜快速為電池充電，其中500 mA的最大電流已不再足夠。BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)允許通過 USB 電纜傳輸高達(dá) 7.5 W（5 V 和 1.5 A）的功率，從而滿足了這些消費(fèi)者需求。BC1.2 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15 W（最大值），而USB PD 3.0將系統(tǒng)功率升級到100 W（最大值）。最新的規(guī)格更新 USB PD3.1 將功率能力進(jìn)一步擴(kuò)展到 240 W（最大值）。

BC1.2 和 Type-C 1.3 繼續(xù)提供所有先前版本的 USB 標(biāo)準(zhǔn)中使用的 5 V 電壓軌，并通過將最大電流增加到 7.5 A 和 15 A，將功率能力分別提高到 1.5 W 和 3 W。它允許兩個設(shè)備通過 USB 電纜傳輸高達(dá) 3 V 和 0 A 的電壓。新的 PD100.20 規(guī)范支持高達(dá) 5 V 和 3 A 的電流。

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

圖2.每個 USB 規(guī)范的電源功能。

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5 V的最小電壓和48 V的最大電壓，而且還必須在兩者之間提供一些電壓軌。

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

電源還在每個電壓軌上提供不同的電流輸出。具有5 V電源軌的電源在此電源軌上提供500 mA至3 A電流。9 V 時 1 V 軌傳輸電流介于 67.3 A 和 9 A 之間的產(chǎn)品。電源在1 V電源軌上提供8.3 A至15 A電源。最后，電源在 2 V 電壓下提供 25.5 A 至 20 A 電流（圖 3）。

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

圖3.USB PD3.0 電壓和電流功能。

除了標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流電源外，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)備請求電源的電壓和電流發(fā)生微小變化。

PPS功能通過優(yōu)化開關(guān)充電器的工作點(diǎn)，對于加速鋰離子電池的充電最有用。在充電周期的恒流階段，充電器為電池提供固定電流，電池電壓將緩慢增加到最終充電終止電壓。通常，充電器的輸入將是固定的，當(dāng)充電器的輸入遠(yuǎn)大于電池電壓時，會產(chǎn)生功率損耗。PPS 功能可調(diào)整充電器的輸入電壓，使其在接近峰值效率時運(yùn)行。由于功耗更低，電池充電速度更快，充電電流增加。

PPS 允許沿 USB 電纜進(jìn)行無數(shù)次電壓和電流組合。想要使用PPS功能的設(shè)計人員必須找到一種方法，讓電源和在線設(shè)備就電源應(yīng)提供多少功率達(dá)成一致。

USB-C PD 設(shè)計模塊

在離散的USB PD系統(tǒng)下開始充電并非易事。電源（如墻上適配器）通過 USB 電纜連接到串聯(lián)設(shè)備，如電話或電鉆。兩種器件通常需要多個 IC 來實(shí)現(xiàn)來回通信，以使電源準(zhǔn)備好提供串聯(lián)器件電源（圖 4）。

圖4.USB PD設(shè)計框圖。

CC 引腳檢測 IC 通過測量 CC 引腳的電壓來識別電纜方向和源電流能力。該IC還請求電源的電壓和電流能力，并在串聯(lián)器件選擇電壓和電流時與電源通信。

BC1.2 檢測 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)用程序仍然使用較舊的USB規(guī)范。BC1.2 兼容端口具有 D+/D– 引腳，而不是 CC 引腳，用于傳輸電源的電源功能。BC1.2 檢測 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 可安全有效地為串聯(lián)設(shè)備上的電池充電。電源將為直插式設(shè)備（充電器的輸入源）提供恒定電壓。然后，充電器將確保電池按照電池的電壓、電流和溫度規(guī)格充電。

最后，微控制器單元（MCU）模塊組織其他IC之間的通信。MCU與CC引腳檢測IC通信，以確定電源的功率能力。然后，MCU將電源的能力與充電器和電池的功率需求進(jìn)行比較，以確定電源應(yīng)提供多少電流和電壓。MCU 將最終電源設(shè)置通信回 CC 引腳檢測 IC，以正確配置電源。確認(rèn)正確的電流和電壓后，MCU 將配置并啟用充電器。

USB PD需要比傳統(tǒng)USB或標(biāo)準(zhǔn)Type-C設(shè)計提供更多的元件。更多的IC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)計來管理不同元件之間的通信并滿足所有USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)要求。固件設(shè)計本身可能會產(chǎn)生更長的開發(fā)周期，除非設(shè)計人員對USB規(guī)格有深入的了解。

獨(dú)立 PD 控制器

獨(dú)立的 PD 控制器通過將 CC 引腳檢測、BC1.2 檢測和 MCU 集成到一個 IC 中，有助于簡化 USB PD 設(shè)計。四 IC 設(shè)計現(xiàn)在變?yōu)閮蓚€，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)大的元件是嵌入式MCU，它集成了所有USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和時序要求。設(shè)計人員不再需要花費(fèi)開發(fā)時間來快速了解這些規(guī)范。

獨(dú)立PD控制器的一個例子是MAX77958（圖5）。MAX77958的兩個獨(dú)特特性是非易失性存儲器和I。2直接控制配套充電器的 C 主端口。這兩種特性都有助于消除對外部MCU和自定義固件開發(fā)的需要。

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

設(shè)計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，然后將其加載到IC的非易失性存儲器中。PD 控制器自動執(zhí)行命令，例如切換 GPIO 或發(fā)送 I2C命令通過I向充電器發(fā)送2C 主端口。

自定義腳本是使用簡單、用戶友好的命令在 GUI 中編寫的。該軟件將自定義腳本轉(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)其應(yīng)用程序所需的功能定義簡單的函數(shù)和序列。

圖 6 顯示了設(shè)計器可用于對自定義腳本進(jìn)行編程的一些函數(shù)。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，可大大減少開發(fā)時間。

圖6.自定義腳本的用戶編程。

結(jié)論

USB PD 規(guī)范極大地擴(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：5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V 和 48 V，以幫助適應(yīng)各種電源功能。電源和在線設(shè)備現(xiàn)在需要協(xié)商電流和電壓電平，然后才能開始充電。

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

審核編輯：郭婷