如何使用獨(dú)立的PD控制器簡(jiǎn)化USB-C PD設(shè)計(jì)？

獨(dú)立的PD控制器可以通過(guò)管理功率問(wèn)題來(lái)幫助應(yīng)對(duì)解決方案尺寸和成本等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，無(wú)需開(kāi)發(fā)固件。本文將簡(jiǎn)要介紹5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V供電軌之間的同化如何在功率傳輸中表現(xiàn)多用性，以減少所需的電纜。然后介紹一款獨(dú)立PD控制器，該器件包含端口檢測(cè)和非易失性內(nèi)存，無(wú)需使用定制固件。

便攜式電池驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備（例如手機(jī)、筆記本電腦、無(wú)線音箱、電動(dòng)工具等）推動(dòng)USB功率傳輸(PD)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。USB PD為消費(fèi)電子帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)，它們可以通過(guò)同一個(gè)USB Type-C連接器提供高達(dá)240 W的功率（參見(jiàn)USB PD 3.1版本規(guī)格）。

為了供應(yīng)廣泛的功率，USB PD標(biāo)準(zhǔn)可用的電壓和電流組合眾多（5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V、48 V和1.5 A、3 A、5 A等），因此USB PD提出了新的電源需求挑戰(zhàn)。在電源通過(guò)USB電纜供電之前，電源（例如墻上適配器）和在線設(shè)備（例如手機(jī)）分別以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魉絺鬟f它們的功率容量和功率需求。

一些解決方案需要多個(gè)集成電路(IC)，包括端口檢測(cè)器、微控制器和用于功率傳輸?shù)某潆娖鳌ｋm然這些解決方案可以使用，但它們會(huì)占用板上空間，增加解決方案的成本，且需要定制固件，而生產(chǎn)這些固件非常耗時(shí)。

一個(gè)獨(dú)立的PD控制器可以幫助解決這些挑戰(zhàn)，它可以管理功率問(wèn)題，無(wú)需開(kāi)發(fā)固件。

USB-C PD電源要求

USB PD有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：消費(fèi)者可以使用相同的電纜和電源適配器為2.5 W的手機(jī)和25 W的無(wú)繩電鉆充電。抽屜里塞滿了各種不同的電纜，或者永遠(yuǎn)找不到正確的充電器，這樣的日子已經(jīng)成為過(guò)去。

在了解USB PD之前，我們必須回顧以前的USB標(biāo)準(zhǔn)，以了解USB PD 具備的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。最初的USB標(biāo)準(zhǔn)——USB 1.1和USB 2.0——是用于傳輸數(shù)據(jù)而不是傳輸功率。它們只允許USB電纜傳輸最高5 V電 壓和500 mA電流。

隨著時(shí)間推移，消費(fèi)者開(kāi)始要求USB提供更多功能。他們想通過(guò)USB電纜快速給電池充電，此時(shí)500 mA最大電流已經(jīng)無(wú)法滿足要求。BC1.2標(biāo)準(zhǔn)允許通過(guò)USB電纜傳輸高達(dá)7.5 W功率——5 V電壓 和1.5 A電流，該標(biāo)準(zhǔn)滿足了這些消費(fèi)者的需求。BC1.2標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了通過(guò)USB電纜為電池充電的能力，在BC1.2標(biāo)準(zhǔn)之后，每一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)都在之前的基礎(chǔ)上增加了功率容量。Type-C 1.3將功率容量擴(kuò)展到15 W（最大值），而USB PD 3.0使系統(tǒng)功率升級(jí)達(dá)到100 W（最大值）。其最新的規(guī)格更新USB PD3.1將功率容量進(jìn)一步擴(kuò)展到了 240 W（最大值）。

BC1.2和Type-C 1.3繼續(xù)提供以前在所有USB標(biāo)準(zhǔn)中使用的5 V供電 軌，但通過(guò)將最大電流增加到1.5 A和3 A，將功率容量分別增加到7.5 W和15 W。USB PD3.0同樣提高了電流和電壓容量，使功率容量達(dá)到100 W（最大值）。它允許兩個(gè)設(shè)備通過(guò)USB電纜傳輸高達(dá) 20 V電壓和5 A電流。新PD3.1規(guī)格支持高達(dá)48 V電壓和5 A電流。

圖1匯總列出每個(gè)USB標(biāo)準(zhǔn)允許的功率容量、最大電流和電壓。

圖1. 每個(gè)USB規(guī)格的功率容量

USB PD電源提供的供電軌是可變的。USB PD 3.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電源不僅必須提供最小電壓5 V和最大電壓48 V，還必須提供介于這兩個(gè)電壓之間的若干供電軌。

USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)要求電源根據(jù)其功率容量，提供特定的供電軌。能夠提供超過(guò)15 W的電源必須提供5 V和9 V供電軌。能夠提供超過(guò)27 W的電源必須提供5 V、9 V和15 V供電軌。最后，能夠提供超過(guò)45 W的電源必須提供5 V、9 V、15 V和20 V供電軌。

電源還在這些供電軌上提供不同的電流輸出。電源在5 V供電軌上提供500 mA和3 A之間的電流。電源在9 V供電軌上提供1.67 A和3 A 之間的電流。電源在15 V供電軌上提供1.8 A和3 A之間的電流。最后，電源在20 V供電軌上提供2.25 A和5 A之間的電流（圖2）。

圖2. USB PD3.0電壓和電流容量

USB PD 3.1標(biāo)準(zhǔn)為電源增加了三個(gè)額外的供電軌。提供28 V、36 V和 48 V固定供電軌的電源分別支持高達(dá)140 W、180 W和240 W的功率水平。電源必須為這些供電軌提供高達(dá)5 A電流

除了標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流外，USB PD規(guī)格還提供可編程電源(PPS)功能。PPS功能允許在線設(shè)備請(qǐng)求電源提供有少量改變的電壓和電流。

PPS功能非常有用，可以通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)充電器的工作點(diǎn)，加快鋰離子電池的充電速度。在充電周期的恒定電流階段，充電器為電池提供固定電流，電池電壓會(huì)慢慢增加，直到最終達(dá)到充電截止電壓。通常情況下，充電器的輸入是固定的，當(dāng)充電器的輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電池電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生功率損失。PPS功能調(diào)整充電器的輸入電壓，使其工作效率盡可能接近峰值效率。此舉使得功耗降低，在充電電流增大的情況下，電池的充電速度加快。

PPS可以通過(guò)USB電纜實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)種電壓和電流組合。想要使用PPS功能的設(shè)計(jì)人員必須找到一種方法，使電源和在線設(shè)備就電源應(yīng)提供的功率量達(dá)成一致。

USB-C PD設(shè)計(jì)模塊

在分立式USB PD系統(tǒng)中開(kāi)始充電，這并非一項(xiàng)簡(jiǎn)單任務(wù)。電源（例如墻上適配器）通過(guò)USB電纜與在線設(shè)備（例如手機(jī)或電鉆）連接。這兩種設(shè)備通常都需要使用多個(gè)IC來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)回通信，以便為在線設(shè)備提供電源（圖3）。

圖3. USB PD設(shè)計(jì)框圖

CC引腳檢測(cè)IC通過(guò)測(cè)量CC引腳的電壓來(lái)確認(rèn)電纜的方向和拉電流能力。該IC還需要電源的灌電壓和灌電流能力，并在在線設(shè)備選擇電壓和電流時(shí)將信息返回給電源。

BC1.2檢測(cè)IC支持傳統(tǒng)的USB適配器。雖然更新的設(shè)備更廣泛地采用USB Type-C，但許多應(yīng)用仍然使用舊的USB規(guī)格。BC1.2兼容端口采用D+/D-引腳來(lái)傳輸電源的功率容量，而不是CC引腳。BC1.2檢測(cè)IC讀取D+/D-引腳，為仍然使用傳統(tǒng)USB標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用配置充電。

該充電器IC安全有效地為在線設(shè)備的電池充電。電源將為在線設(shè)備、充電器的輸入源提供恒定電壓。然后充電器確保電池充電量已達(dá)到充電電壓、電流和溫度規(guī)格。

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(cè)IC通信，確定電源的功率容量。然后，MCU將電源的容量與充電器和電池的功率需求進(jìn)行比較，確定電源應(yīng)該提供多少電流和電壓。MCU將最終的功率設(shè)置反饋給CC引腳檢測(cè)IC，以正確配置電源。一旦確認(rèn)正確的電流和電壓，MCU將配置并使能充電器。

嵌入式MCU集成了所有USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和時(shí)序要求，是獨(dú)立式PD控制器中最強(qiáng)大的部分。設(shè)計(jì)人員無(wú)需再為了跟上這些規(guī)格而花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

獨(dú)立PD控制器的一個(gè)示例是MAX77958（圖4）。MAX77958具有兩個(gè)獨(dú)特功能：非易失性存儲(chǔ)器和直接控制配套充電器的I2C主端口。這兩個(gè)功能消除了對(duì)外部MCU的需求，也無(wú)需開(kāi)發(fā)定制固件。

圖4. USB Type-C v1.3和兼容PD 3.0的獨(dú)立式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，然后將其加載到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(guò)I2C主端口向充電器發(fā)送I2C命令等。

定制腳本是使用簡(jiǎn)單、易于使用的命令在GUI中編寫(xiě)的。該軟件將定制腳本轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制格式，并將其寫(xiě)入IC配置區(qū)域。開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)基于其應(yīng)用需要提供的功能來(lái)定義簡(jiǎn)單的函數(shù)和序列。

圖5顯示了設(shè)計(jì)人員可以使用的一些定制腳本編程功能。GUI根據(jù)定制腳本輸出二進(jìn)制(bin)和十六進(jìn)制(hex)文件。定制腳本是一項(xiàng)獨(dú)特功能，有助于大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖5. 用戶定制腳本編程

結(jié)論

USB PD規(guī)格極大地增加了通過(guò)USB電纜充電的電池供電設(shè)備的數(shù)量。該規(guī)格概述了7項(xiàng)新供電軌要求——5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、 36 V和48 V——以幫助適應(yīng)廣泛的功率容量。在開(kāi)始充電之前，電源和在線設(shè)備需要確定電流和電壓電平。

獨(dú)立式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(guò)程。有些甚至無(wú)需使用外部MCU和定制固件。獨(dú)立式PD控制器幫助加速您的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，確保始終領(lǐng)先于USB PD的新趨勢(shì)。

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