【導(dǎo)讀】獨(dú)立的PD控制器可以通過管理功率問題來幫助應(yīng)對(duì)解決方案尺寸和成本等設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，無需開發(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，無需使用定制固件。
簡(jiǎn)介
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)電子帶來巨大優(yōu)勢(shì)，它們可以通過同一個(gè)USB Type-C連接器提供高達(dá)240 W的功率（參見USB PD 3.1版本規(guī)格）。圖1顯示通過USB Type-C連接器充電的手機(jī)。
圖1.使用USB Type-C連接器充電的手機(jī)
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)，它可以管理功率問題，無需開發(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)者開始要求USB提供更多功能。他們想通過USB電纜快速給電池充電，此時(shí)500 mA最大電流已經(jīng)無法滿足要求。BC1.2標(biāo)準(zhǔn)允許通過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2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2.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15 W的電源必須提供5 V和9 V供電軌。能夠提供超過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3）。
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。
圖3.USB PD3.0電壓和電流容量
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，可以通過優(yōu)化開關(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USB電纜實(shí)現(xiàn)無數(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來實(shí)現(xiàn)來回通信，以便為在線設(shè)備提供電源（圖4）。
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。
USB PD所需的元件數(shù)量超過傳統(tǒng)USB或標(biāo)準(zhǔn)Type-C設(shè)計(jì)提供的數(shù)量。更多IC導(dǎo)致成本更高，解決方案的尺寸更大。它還需要一個(gè)復(fù)雜的固件設(shè)計(jì)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。單單固件設(shè)計(jì)一項(xiàng)就可能拉長(zhǎng)開發(fā)周期，除非設(shè)計(jì)人員熟知USB規(guī)格。
獨(dú)立式PD控制器
通過將CC引腳檢測(cè)、BC1.2檢測(cè)和MCU集成到一個(gè)IC中，獨(dú)立式PD控制器可以幫助簡(jiǎn)化USB PD設(shè)計(jì)。四IC設(shè)計(jì)現(xiàn)在變成雙IC設(shè)計(jì)，節(jié)省了電路板空間和成本。
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)人員無需再為了跟上這些規(guī)格而花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行開發(fā)。
獨(dú)立PD控制器的一個(gè)示例是 MAX77958 （圖5）。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，也無需開發(fā)定制固件。
圖5.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)基于其應(yīng)用需要提供的功能來定義簡(jiǎn)單的函數(shù)和序列。
圖6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，有助于大大縮短開發(fā)時(shí)間。
圖6.用戶定制腳本編程
結(jié)論
USB PD規(guī)格極大地增加了通過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)過程。有些甚至無需使用外部MCU和定制固件。獨(dú)立式PD控制器幫助加速您的設(shè)計(jì)開發(fā)，確保始終領(lǐng)先于USB PD的新趨勢(shì)。
參考電路
“USB Type-C設(shè)計(jì)和使用功率傳輸實(shí)現(xiàn)快速充電”。Digi-Key，2017年3月。
Bob Dunstan和Richard Petrie。“USB功率傳輸”。USB實(shí)施者論壇，2019年11月。
“USB-C基礎(chǔ)知識(shí)”。ADI公司，2020年。
“USB功率傳輸”。USB。
“USB功率傳輸：便利性和安全性”。Renesas。
作者：Sagar Khare
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