作者：Hitesh Kothari
智能手機、平板電腦和其他便攜式設備使用的快速增長推動了對手持便攜式電源的需求。根據市場研究，預計到 2022 年，移動電源市場規模將超過 250 億美元。基于 USB 的設計是移動電源設計中最受歡迎的。
USB 規范在 1990 年代中期被定義為用于將外部外圍設備連接到個人計算機的通信協議。在 2000 年代初期，隨著越來越多的便攜式設備被引入市場，為它們供電成為一個關鍵因素。USB 標準在便攜式市場中具有顯著優勢，因為它能夠使用相同的物理連接器傳輸數據和電源。但是，在引入 USB 電池充電 （BC） 規范之前，USB 供電方法并不可靠。
在 BC 1.0 規范引入之前，USB 標準下行端口（SDP）默認提供最大 100mA，通過電源協商配置時最大提供 500mA，這是由 2000 年推出的 USB 2.0 標準定義的。 2007 年發布的電池充電規范 （BC 1.0） 將專用充電端口 （DCP） 的最大電流限制擴展至 1.5A。2010 年，BC 1.2 規范發布，將最大電流限制提高到 5A。最新的 USB 供電 （PD） 規范通過 USB Type-C 連接器將供電能力擴展至 100W。
大部分智能手機、平板電腦、計算機外圍設備和便攜式設備都有 USB 連接器和電纜用于供電。本文討論USB Type-C PD移動電源的設計；即，帶有 USB Type-C 連接器并使用 USB 供電 （PD） 規范的移動電源。
傳統USB移動電源的設計
移動電源普遍使用鋰離子電池，因為其功率密度高、重量輕、自放電率低、維護成本低。表 1 顯示了 1 節和 2 節配置中鋰電池的額定電壓。通常，對于移動電源應用，建議使用 2 芯配置，因為效率更高。
表 1 電池/電池的標稱電壓。
傳統的 USB 移動電源設計（見圖 1）由兩個 USB 端口組成：電池充電端口和電池放電端口（或 輸出端口）。
圖1 傳統 USB 移動電源的框圖。
大多數設計中的電池充電端口是 USB Mini-B 或 Micro-B 連接器，然后連接到 USB 壁式電源適配器。電池放電端口通常是 USB Type-A 連接器，用于連接智能手機或任何其他便攜式設備。
電池充電子系統由 USB Mini-B 或 Micro-B 連接器、升降壓轉換器、電池參數測量電路和系統 MCU 組成。鋰離子電池的充電曲線由恒流階段和恒壓階段組成，以確保高效安全地充電至電池的最大容量。MCU 控制調節電池充電電流的升降壓轉換器。MCU 有一個充電曲線控制塊，可根據充電算法處理電流和電壓曲線。MCU 還監控和控制電池的這些充電曲線，以避免可能導致電池爆炸的過度充電和過熱。
電池放電部分也由 MCU 控制。電池參數測量電路向 MCU 提供電池電壓、放電電流和溫度數據，MCU 進而根據電池放電算法處理電池放電。MCU 還控制輸出降壓-升壓轉換器為輸出端口上的外部設備供電。
MCU/控制器生成控制充電和放電控制電路所需的所有信號，從測量電路讀取參數值，確保電池安全，以及其他各種功能。
轉向 USB Type-C 供電
傳統 USB 移動電源的應用主要用于智能手機、平板電腦和其他可以用 5V 進行令人滿意的充電的便攜式設備。今天的移動電源還需要能夠為筆記本電腦、家用電器和其他需要更高輸出電壓、更高電流和更高額定功率的設備充電。各種便攜式設備和智能手機的制造商也推出了定制的充電標準，以實現更高效的充電。
例如，蘋果充電、高通快速充電 （QC）、三星自適應快速充電 （AFC） 和可編程電源 （PPS） 是智能手機中使用的一些改進的充電方法。這些方法的額定電壓、額定電流和充電曲線是專有的，不再局限于 5V 輸出。這些充電協議不同于傳統的 BC1.2 規范，并具有擴展的額定功率。
當需要移動電源將其支持擴展到其他專有充電標準時，USB Type-C PD 移動電源的重要性顯而易見。USB Type-C PD 標準支持高達 20V/5A （100W） 的電力輸送，足以為臺式電腦、筆記本電腦、智能手機、平板電腦、其他便攜式設備等供電。
Type-C 連接器已經開始接管智能手機和平板電腦行業，不僅用作電源連接器，還用作數據端口和音頻插孔。Type-C 連接器具有以下已知優勢：
可逆連接器：Type-C 解決了舊版 USB 連接器存在的連接器方向問題。對稱的連接器引腳對齊允許用戶以任何一種方式插入連接器，從而提高了易用性。
擴展功率處理能力：Type-C 連接器可處理高達 100W 的功率。Type-C 電纜還能夠處理典型的 3A（有源電纜高達 5A）電流，而不會出現明顯的壓降。
備用模式支持：可以通過配置通道 （CC） 使用供應商定義的消息 （VDM） 將附加引腳配置為備用模式支持。Type-C 連接器在交替模式下支持 Display Port、HDMI 和其他高速接口。
舊版 USB D+ 和 D- 線：Type-C 連接器向后兼容以前的 USB 標準到 USB 2.0，因為 D+ 和 D- 線可用。定義了兩組 USB 2.0 信號引腳以啟用電纜翻轉功能。
標準 24 針 Type-C 連接器的引腳圖如圖 2 所示。還顯示了實現移動電源應用所需的引腳。
圖2 標準 Type-C 連接器引腳圖。
D+ 和 D- 引腳檢測所連接設備（手機、平板電腦、筆記本電腦等）上的各種終端，并識別設備使用的充電方法。電力合同（即電壓和電流值）取決于充電方式或協議，因此終止檢測對于移動電源的性能非常重要。
配置通道 （CC） 引腳用于跨標準 Type-C 電纜的 USB Type-C 連接的發現、管理和配置。在供電期間，CC 線（CC1、CC2）用作附加功能：電源協商。連接的端口使用 CC 線協商 USB 電纜上的電壓、電流和功率流向。V BUS線路經協商后按既定合同供電。
使用 USB Type-C 進行移動電源設計的最顯著優勢是其靈活性以及通過單個連接器支持不同充電方式的能力。表 2 為傳統 USB 與 USB Type-C PD 移動電源的對比分析。
表 2 基于傳統USB與USB Type-C PD的移動電源對比
從表 2 中可以看出，USB Type-C PD 移動電源憑借其可逆 Type-C 連接器的優勢以及支持多種充電協議的能力，提供了卓越的功能。
USB Type-C PD移動電源設計
圖 3 顯示了典型 USB Type-C 移動電源的框圖。Type-C 移動電源具有單個 Type-C 連接器接口，用于對鋰離子電池進行充電和放電。Type-C PD 控制器是移動電源的核心，負責管理控制鋰離子電池充電和放電的升降壓穩壓器。
圖3 USB Type-C PD移動電源框圖。
移動電源使用單個 Type-C 連接器支持兩種操作：電池充電和電池放電。
在電池充電期間，Type-C PD 控制器啟用消費者路徑 FET，以便鋰離子電池開始充電。雙向升降壓轉換器控制電池充電電壓和電流以保持正確的充電曲線。Type-C PD 控制器持續監控電池參數，以安全可靠地為鋰離子電池充電。
在電池放電或輸出期間，Type-C PD 控制器打開供應商路徑 FET，移動電源充當電源。Type-C PD 控制器與通過 Type-C 連接器連接的智能手機或設備進行電源協商。然后，它控制降壓-升壓調節器的方向，以便鋰離子電池開始提供電流，為智能手機或其他連接的設備充電。
如今，可以使用專為滿足移動電源和電源適配器應用要求而設計的 Type-C 控制器。例如，賽普拉斯半導體的 EZ-PD CCG3PA 控制器支持具有可編程電源 （PPS） 模式的 USB PD 3.0 規范。該控制器還支持傳統的 BC1.2 和各種專有充電方法，如高通快速充電（QC）、三星自適應快速充電 （AFC） 和 Apple 充電。
集成控制器內置重要的系統級保護，包括過壓保護 （OVP）、過流保護 （OCP）、欠壓保護 （UVP）、短路保護 （SCP）、過溫保護 （OTP） 和靜電放電 （ESD） ） 保護。D+/D-線上的集成可配置電阻器和終端進一步簡化了設計。為了獲得最大的靈活性，我們提供支持 Type-C 和傳統 Type-A 端口的控制器，以便隨著市場從 Type-A 過渡到 Type-C，移動電源可以與設備互操作。通過集成 V BUS等組件降低系統成本電壓調節器、電流檢測放大器、反饋控制、ADC、PWM 和其他功能。圖 4 顯示了基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 評估套件的移動電源和適配器應用的示例布局。
圖4 基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 評估套件的移動電源和適配器應用的示例布局。
通過可編程控制器，移動電源可以支持多種充電標準，如表 3 所示。圖 5 顯示了移動電源操作示例。
表 3 可編程控制器可以支持多種充電標準。
圖5 移動電源操作流程圖說明示例。
USB Type-C PD 正迅速成為便攜式設備和其他應用的標準。傳統USB移動電源與USB Type-C移動電源的對比分析清楚地表明，基于USB Type-C PD的移動電源代表了基于USB充電的未來。 |
