作者：Sagar Khare，業務經理
摘要
獨立的PD控制器可以通過管理功率問題來幫助應對解決方案尺寸和成本等設計挑戰，無需開發固件。本文將簡要介紹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多用性，以減少所需的電纜。然后介紹一款獨立PD控制器，該器件包含端口檢測和非易失性內存，無需使用定制固件。
簡介
便攜式電池驅動電子設備（例如手機、筆記本電腦、無線音箱、電動工具等）推動USB功率傳輸(PD)市場持續增長。USB PD為消費電子帶來巨大優勢，它們可以通過同一個USB Type-C連接器提供高達240 W的功率（參見USB PD 3.1版本規格）。
為了供應廣泛的功率，USB PD標準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。在電源通過USB電纜供電之前，電源（例如墻上適配器）和在線設備（例如手機）分別以適當的電壓和電流水平傳遞它們的功率容量和功率需求。
一些解決方案需要多個集成電路(IC)，包括端口檢測器、微控制器和用于功率傳輸的充電器。雖然這些解決方案可以使用，但它們會占用板上空間，增加解決方案的成本，且需要定制固件，而生產這些固件非常耗時。
一個獨立的PD控制器可以幫助解決這些挑戰，它可以管理功率問題，無需開發固件。
USB-C PD電源要求
USB PD有一個顯著優勢：消費者可以使用相同的電纜和電源適配器為2.5 W的手機和25 W的無繩電鉆充電。抽屜里塞滿了各種不同的電纜，或者永遠找不到正確的充電器，這樣的日子已經成為過去。
在了解USB PD之前，我們必須回顧以前的USB標準，以了解USB PD具備的優勢和挑戰。最初的USB標準——USB 1.1和USB 2.0——是用于傳輸數據而不是傳輸功率。它們只允許USB電纜傳輸最高5 V電壓和500 mA電流。
隨著時間推移，消費者開始要求USB提供更多功能。他們想通過USB電纜快速給電池充電，此時500 mA最大電流已經無法滿足要求。BC1.2標準允許通過USB電纜傳輸高達7.5 W功率——5 V電壓和1.5 A電流，該標準滿足了這些消費者的需求。BC1.2標準擴展了通過USB電纜為電池充電的能力，在BC1.2標準之后，每一項新標準都在之前的基礎上增加了功率容量。Type-C 1.3將功率容量擴展到15 W（最大值），而USB PD 3.0使系統功率升級達到100 W（最大值）。其最新的規格更新USB PD3.1將功率容量進一步擴展到了240 W（最大值）。
圖1.每個USB規格的功率容量
BC1.2和Type-C 1.3繼續提供以前在所有USB標準中使用的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，使功率容量達到100 W（最大值）。它允許兩個設備通過USB電纜傳輸高達20 V電壓和5 A電流。新PD3.1規格支持高達48 V電壓和5 A電流。
圖1匯總列出每個USB標準允許的功率容量、最大電流和電壓。
USB PD電源提供的供電軌是可變的。USB PD 3.1標準規定，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電壓之間的若干供電軌。
USB PD 3.0標準要求電源根據其功率容量，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2）。
USB PD 3.1標準為電源增加了三個額外的供電軌。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5 A電流。
圖2.USB PD3.0電壓和電流容量
除了標準電壓和電流外，USB PD規格還提供可編程電源(PPS)功能。PPS功能允許在線設備請求電源提供有少量改變的電壓和電流。
PPS功能非常有用，可以通過優化開關充電器的工作點，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，電池電壓會慢慢增加，直到最終達到充電截止電壓。通常情況下，充電器的輸入是固定的，當充電器的輸入遠遠大于電池電壓時，就會產生功率損失。PPS功能調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電纜實現無數種電壓和電流組合。想要使用PPS功能的設計人員必須找到一種方法，使電源和在線設備就電源應提供的功率量達成一致。
USB-C PD設計模塊
在分立式USB PD系統中開始充電，這并非一項簡單任務。電源（例如墻上適配器）通過USB電纜與在線設備（例如手機或電鉆）連接。這兩種設備通常都需要使用多個IC來實現來回通信，以便為在線設備提供電源（圖3）。
圖3.USB PD設計框圖
CC引腳檢測IC通過測量CC引腳的電壓來確認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，并在在線設備選擇電壓和電流時將信息返回給電源。
BC1.2檢測IC支持傳統的USB適配器。雖然更新的設備更廣泛地采用USB Type-C，但許多應用仍然使用舊的USB規格。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IC讀取D+/D-引腳，為仍然使用傳統USB標準的應用配置充電。
該充電器IC安全有效地為在線設備的電池充電。電源將為在線設備、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到充電電壓、電流和溫度規格。
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行比較，確定電源應該提供多少電流和電壓。MCU將最終的功率設置反饋給CC引腳檢測IC，以正確配置電源。一旦確認正確的電流和電壓，MCU將配置并使能充電器。
USB PD所需的元件數量超過傳統USB或標準Type-C設計提供的數量。更多IC導致成本更高，解決方案的尺寸更大。它還需要一個復雜的固件設計來管理不同元件之間的通信，并滿足所有USB PD 3.0標準要求。單單固件設計一項就可能拉長開發周期，除非設計人員熟知USB規格。
獨立式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，獨立式PD控制器可以幫助簡化USB PD設計。四IC設計現在變成雙IC設計，節省了電路板空間和成本。
嵌入式MCU集成了所有USB PD 3.0標準通信協議和時序要求，是獨立式PD控制器中最強大的部分。設計人員無需再為了跟上這些規格而花費時間進行開發。
獨立PD控制器的一個示例是MAX77958（圖4）。MAX77958具有兩個獨特功能：非易失性存儲器和直接控制配套充電器的I2C主端口。這兩個功能消除了對外部MCU的需求，也無需開發定制固件。
圖4.USB Type-C v1.3和兼容PD 3.0的獨立式PD控制器
設計人員可以使用圖形用戶界面(GUI)為典型應用生成定制腳本，然后將其加載到IC的非易失性存儲器中。PD控制器自動執行命令，例如切換GPIO，或通過I2C主端口向充電器發送I2C命令等。
定制腳本是使用簡單、易于使用的命令在GUI中編寫的。該軟件將定制腳本轉換為十六進制格式，并將其寫入IC配置區域。開發人員可以根據基于其應用需要提供的功能來定義簡單的函數和序列。
圖5顯示了設計人員可以使用的一些定制腳本編程功能。GUI根據定制腳本輸出二進制(bin)和十六進制(hex)文件。定制腳本是一項獨特功能，有助于大大縮短開發時間。
圖5.用戶定制腳本編程
結論
USB PD規格極大地增加了通過USB電纜充電的電池供電設備的數量。該規格概述了7項新供電軌要求——5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V——以幫助適應廣泛的功率容量。在開始充電之前，電源和在線設備需要確定電流和電壓電平。
獨立式PD控制器將大多數模塊集成到一個IC中，這有助于簡化設計過程。有些甚至無需使用外部MCU和定制固件。獨立式PD控制器幫助加速您的設計開發，確保始終領先于USB PD的新趨勢。
參考資料
1.“USB Type-C設計和使用功率傳輸實現快速充電。”Digi-Key，2017年3月。
2.Bob Dunstan和Richard Petrie。“USB功率傳輸。”USB實施者論壇，2019年11月。
3.“USB-C基礎知識。”ADI公司，2020年。
4.“USB功率傳輸。”USB。
5.“USB功率傳輸：便利性和安全性。”Renesas。
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關于作者
Sagar Khare是ADI公司電池供電解決方案事業部的業務經理。他在嵌入式電源轉換、可再生能源和電池管理方面擁有豐富的經驗。Sagar擁有石溪大學電氣工程理學碩士學位和亞利桑那州立大學工商管理碩士學位。 |
