独立供电控制器如何简化 USB-C PD 设计

USB 供电 (PD) 市场在便携式、电池供电的电子设备（如手机、笔记本电脑、无线扬声器、电动工具等）中持续增长。USB PD 为消费者提供了极大的好处，因为它可以从同一个 USB Type-C 连接器提供高达 240W（在 USB PD 修订版 3.1 规范中）的功率。图 1 描绘了通过 USB Type-C 连接器为手机充电的情况。

USB PD 提出了新的电源要求挑战，因为有多种可用的电压和电流组合——5V、9V、15V、20V、28V、36V、48V 和 1.5A、3A、5A 等——以提供广泛的电源USB PD标准可以提供。在电源通过 USB 电缆供电之前，电源（例如壁式适配器）和嵌入式设备（例如手机）分别以适当的电压和电流水平传达它们的电力能力和电力需求。

一些解决方案需要多个集成电路 (IC)，包括用于供电的端口检测器、微控制器和充电器。虽然这些解决方案有效，但它们占用了电路板上的空间，增加了解决方案成本，并且需要定制固件，而创建这些固件可能很耗时。

独立的 PD 控制器可以通过管理功率协商来帮助解决这些挑战，而无需开发固件。

本文将简要介绍 5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V 电压轨的同化如何提供电力传输的多功能性，从而减少房屋周围的电缆。然后介绍了 Analog Devices 的 MAX77958 独立 PD 控制器，该控制器通过包括端口检测和非易失性存储器而无需定制固件。

USB-C PD 电源要求

USB PD 的显着优势之一是允许消费者使用相同的电缆和电源适配器为其 2.5W 手机和 25W 无绳电钻充电。抽屉里装满不同电缆或永远找不到正确充电器的日子将成为过去。

在我们开始研究 USB PD 之前，有必要重新审视以前的 USB 标准，以了解 USB PD 的一些优势和挑战。第一个 USB 标准——USB 1.1 和 USB 2.0——用于数据传输而不是电力传输。它们仅允许通过 USB 电缆提供最大 5V 和 500mA 的电流。

随着时间的推移，消费者开始对 USB 提出更多要求。他们想通过 USB 电缆快速为电池充电，此时 500mA 的最大电流已经不够用了。BC1.2 标准允许通过 USB 电缆传输高达 7.5W（5V 和 1.5A）的功率，从而满足了这些消费者的需求。

BC 1.2 标准扩展了通过 USB 为电池充电的能力，BC1.2 之后的每个新 USB 标准都增加了电源容量。Type-C 1.3 将功率能力扩展到 15W（最大），而 USB PD 3.0 将系统功率升级到 100W（最大）。最新的规范更新 USB PD3.1 将功率能力进一步扩展至 240W（最大值）。

BC1.2 和 Type-C 1.3 继续提供所有以前版本的 USB 标准中使用的 5V 电压轨，并通过将最大电流增加到 1.5A 和 3A，将功率能力分别增加到 7.5W 和 15W。USB PD3.0 还增加了电流和电压能力，达到 100W（最大值）。它允许两个设备通过 USB 电缆传输高达 20V 和 5A 的电流。新的 PD3.1 规范支持高达 48V 和 5A。

图 2 总结了每个 USB 标准允许的功率能力以及最大电流和电压。

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图 2. 每个 USB 规范的电源能力。

USB PD 电源提供的电压轨是可变的。USB PD 3.1 标准规定，电源不仅必须提供 5V 的最小电压和 48V 的最大电压，而且还必须提供一些介于两者之间的电压轨。 

USB PD 3.0 标准要求电源根据电源的功率能力提供特定的电压轨。可提供超过 15W 的电源必须提供 5V 和 9V 电源轨。那些能够提供超过 27W 的必须提供 5V、9V 和 15V 电源轨。最后，能够提供超过 45W 的电源必须提供 5V、9V、15V 和 20V 电压轨。

电源还在每个电压轨上提供不同的电流输出。带有 5V 轨的电源在该轨上提供 500mA 和 3A 之间的电流。具有 9V 电压轨的那些在 9V 下传输 1.67A 和 3A 之间的电流。电源在 15V 轨上提供 1.8A 和 3A 之间的电流。最后，电源在 20V 时提供 2.25A 和 5A 之间的电流（图 3）。

USB PD 3.1 标准增加了三个额外的电源电压轨。电源提供 28V、36V 和 48V 的固定电压轨，分别支持高达 140W、180W 和 240W 的功率水平。电源必须为每个电压轨提供高达 5A 的电流。

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图 3. USB PD3.0 电压和电流能力。

除了标准电压和电流供应，USB PD 规范还提供可编程电源 (PPS) 功能。PPS 功能允许在线设备从电源请求电压和电流的微小变化。

PPS 功能对于通过优化开关充电器的工作点来加速锂离子电池的充电非常有用。在一个充电周期的恒流阶段，充电器为电池提供一个固定的电流，电池电压会慢慢升高到最终充电终止电压。通常，充电器的输入是固定的，当充电器的输入远大于电池电压时，就会产生功率损耗。PPS 功能调整充电器的输入电压，使其在接近峰值效率的情况下运行。由于功耗更低，因此可以通过增加充电电流更快地为电池充电。

PPS 允许沿着 USB 电缆进行无数的电压和电流组合。想要使用 PPS 功能的设计人员必须找到一种方法，让电源和串联设备商定电源应该提供多少功率。

USB-C PD 设计模块

在独立的 USB PD 系统下开始充电并非易事。电源（例如壁式适配器）通过 USB 电缆连接到嵌入式设备（例如电话或电钻）。两种设备通常都需要多个 IC 来实现来回通信，以使电源准备好为串联设备供电（图 4）。

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图 4. USB PD 设计框图。

CC 引脚检测 IC 通过测量 CC 引脚的电压来识别电缆方向和源电流能力。该 IC 还请求电源的电压和电流能力，并在串联设备选择电压和电流时与电源通信。

BC1.2 检测 IC 支持传统 USB 适配器。尽管较新的设备更广泛地采用 USB Type-C，但许多应用仍使用较旧的 USB 规范。BC1.2 兼容端口具有 D+/D- 引脚而不是 CC 引脚来传达电源的电源能力。BC1.2 检测 IC 读取 D+/D- 引脚，为仍使用传统 USB 标准的应用配置充电。

充电器 IC 安全有效地为直插式设备上的电池充电。电源将为嵌入式设备（充电器的输入源）提供恒定电压。然后，充电器将确保将电池充电至电池的电压、电流和温度规格。

最后，微控制器模块 (MCU) 组织其他 IC 之间的通信。MCU 与 CC 引脚检测 IC 通信以确定电源的供电能力。然后，MCU 将电源的能力与充电器和电池的电力需求进行比较，以确定电源应提供多少电流和电压。MCU 将最终的电源设置传回 CC 引脚检测 IC，以正确配置电源。确认正确的电流和电压后，MCU 将配置和启用充电器。

USB PD 需要比传统 USB 或标准 Type-C 设计提供的更多元素。更多的 IC 会导致更高的成本和更大的解决方案尺寸。它还需要复杂的固件设计来管理不同元素之间的通信并满足所有 USB PD 3.0 标准要求。除非设计人员对 USB 规范有深入的了解，否则仅固件设计就可以创建更长的开发周期。 

独立 PD 控制器

独立 PD 控制器可以通过将 CC 引脚检测、BC1.2 检测和 MCU 集成到一个 IC 中来帮助简化 USB PD 设计。四个 IC 设计现在只有两个，从而节省了电路板空间和成本。

集成到独立 PD 控制器中最强大的元素是嵌入式 MCU，它集成了所有 USB PD 3.0 标准通信协议和时序要求。设计人员不再需要花费开发时间来了解这些规范。

一个独立 PD 控制器的例子是 MAX77958 (图 5)。MAX77958 的两个独特特性是非易失性存储器和直接控制配套充电器的 I 2 C 主端口。这两项功能都有助于消除对外部 MCU 和定制固件开发的需求。

 

图 5. USB Type-C v1.3 和 PD 3.0 兼容的独立 PD 控制器。

设计人员可以使用图形用户界面 (GUI) 为典型应用生成定制脚本，然后将它们加载到 IC 的非易失性存储器中。PD 控制器自动执行命令，例如切换 GPIO 或通过 I 2 C 主端口 向充电器发送 I 2 C 命令。

自定义脚本是使用简单、用户友好的命令在 GUI 中编写的。该软件将定制脚本转换为十六进制格式，并将其写入 IC 配置区域。开发人员可以根据他们的应用程序所需的功能定义简单的函数和序列。

图 6 显示了设计人员可用于对自定义脚本进行编程的一些功能。GUI 根据自定义脚本输出二进制 (bin) 和十六进制 (hex) 文件。自定义脚本是一项独特的功能，可大大缩短开发时间。

 

图 6. 自定义脚本的用户编程。

结论

USB PD 规范极大地扩展了通过 USB 电缆充电的电池供电设备的数量。该规范概述了七种新的电压轨要求——5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V——以帮助适应广泛的电源能力。电源和在线设备现在需要在充电开始之前协商电流和电压水平。

独立 PD 控制器将大多数模块集成到一个 IC 中，这有助于简化设计过程。有些甚至消除了对外部 MCU 和定制固件的需求。独立 PD 控制器有助于加速您的设计开发，以确保您始终领先于 USB PD 的最新趋势。

一般参考：

USB 供电规范

“ USB Power Delivery ”，Bob Dunstan 和 Petrie 的演讲，2019 年 11 月

“ USB-C 基础知识”，Sagar Khare 的视频，Maxim Integrated，现在是 ADI 公司的一部分，2020 年 6 月

“使用 USB Type-C 进行设计并使用 Power Delivery 进行快速充电”，Digi-Key，2017 年 3 月

“ USB 供电：方便和安全”，瑞萨电子

审核编辑 黄昊宇