USB PD特性引入移动电源设计方案解析

作者：安森美半导体高级营销经理Satoshi Terada和产品营销经理Hideo Kondo

标准是好的，但有时您需要更多。例如USB Type-C就是这样一个例子；USB Type-C旨在创建一个用于高速数据传输和电力传输的标准接口，仅需一根电缆，取代需要多根电缆的需求。这很有意义，部分原因在于电子设备制造商不愿为他们付运的每一台设备提供电缆，还因为消费者正在处理大量被闲置在抽屉、橱柜和台式机上的 “备用”电缆。

但是，对一个规范进行标准化并不意味着所有设备的创建都是相同的。支持USB 3.x 供电的协议还使供应商能使用所谓的供应商定义消息模式（VDM）通过配置通道（Configuration Channel，CC）与设备通信。使用VDM，供应商可以交换不止USB 3.0供电规范所定义的信息。它可以用于各种事情，但也意味着制造商可以直接与他们自己的设备通信。这种设备作为任何其他设备上的标准出现，但给客户带来了附加价值使，如使用专门为其手机设计的壁式适配器的客户。

接入VDM用于USB控制器中，并将进一步增加USB Type-C连接的吸引力，实现诸如更快的充电或将设备进入备用或辅助模式等功能，以能够重复使用某些连接来接受非USB协议。

这些特性将为USB创建新的应用，特别是在供电方面。继续驱动超低功耗处理意味着可以用更少的功率完成更多的工作，并且由于USB连接的总功率现可达100 W （图1），这开启了各种各样的可能性。但要实现这一潜力，需要一个能够实现预算的USB控制器。

Precedence：优先排序

Highest：最高

Lowest：最低

Mode of Operation：工作模式

Current：电流

Default USB Power：默认USB电源

Nominal Voltage：额定电压

Configurable：可配置

Maximum Current：最大电流

Up to 1.5 A：达1.5 A

Sink/source can be swapped， power direction no longer fixed：汇/源可以互换，电源方向不再固定。

图1：USB Type-C电源配置选项

快速充电

供电规范与现有的电池充电规范一起工作，但在使用VDM时带来了额外的好处。最值得一提的是，它支持高通的快速充电功能，基于选择Snapdragon处理器，从而提供更高的功率，为智能手机提供更快的充电周期。其他制造商也可获批使用这项技术。目前正使用的几种充电协议，如摩托罗拉的TurboPower充电技术、联发科的Pump Express和三星的自适应快速充电技术。

当不使用兼容的电源适配器时，智能手机将默认为较低的功率设置，但当它与制造商自己的/批准的充电器一起使用时，用户将得以更快的充电。虽然不同制造商的规格不同，但USB 3.1 PD规范在5V到12V之间能提供高达27W的功率。

为了帮助消费者选择合适的方案，USB开发者论坛（USB IF）已将USB充电器规范和Logo程序扩展到包括USB快速充电器。本程序认证的充电器支持USB PD 3.0规范的可编程电源（PPS）特性。

PD的部分吸引力在于它支持通过USB供电的设备与电源进行协商，只提供所需的电量。这包括比默认设置需要更少功率的设备，将意味着电源可以为更多的设备提供电力，在设备之间共享电源，和为设备提供的不止是电力。例如，显示器可以为笔记本电脑及外部硬盘提供电源和通信通道，从而支持笔记本通过显示器访问硬盘驱动。

移动电源

USB接口提供的电池充电功能无处不在，多年来一直为移动电源制造商所用。虽然移动电源提供了一种方便的方式，在远离插座的情况下获取额外的电能，但从电池充电向电力传输的转变将需要新一代的移动电源。支持PD提供的可变功率引入了一定程度的复杂性，与通常使用简单的通用电源管理IC或调节器的现有的移动电源设计不兼容。

为了支持PD的所有功能，包括使用VDM的快速充电，移动电源制造商将需要转向设计一个智能控制器来提供通过USB PD提供的功能。例如安森美半导体的LC709501F。这高度集成的基于Flash的可配置设备汇集了所需的所有功能，通过多个USB接口管理锂离子电池提供的电源。图2所示为一个典型的应用示例。

Power Bank：移动电源

Charger：充电器

USB detection：USB检测

USB-PD Policy Engine：USB-PD策略协议

VDM Support：支持VDM

Port Controller：端口控制器

Battery：电池

图2：使用LC709501F的典型移动电源应用

通过安森美半导体开发的固件，配置也可扩展到使用VDM模式，因此制造商可增加额外的价值，如实施快速充电技术。

它直接驱动外部MOSFET以提供可扩展的电源，而它的开关控制器产生所需的电压，从5V到12V。通过选择合适的外部MOSFET，可支持所有的PD特性，包括快速充电3.0高压专用充电端口（HVDCP）A类。Buck/Boost拓扑使移动电源具有USB Type-C 双角色端口（DRP）和USB BC1.2，并且还包括电池状态特性，能使用四个LED来表示电池电量。利用USB 3.x的特性，智能手机应用程序可提供更多关于移动电源的信息，如充电状态、充电周期和充放电时间等。

安森美半导体提供评估板以帮助制造商设计导入LC709501F和选择最合适的固件。例如，FW02支持一个Micro-B输入，在两个通道上支持Type-A输出，快速充电3.0 HVDCP，Boost自动启动和外部Boost IC用于进一步的功率输出，而FW05支持带有DRP和Type-A输出的Type-C，就像我们用作Boost自动启动和外部升压的IC一样。更多的固件版本正在开发中，以支持其他配置。图3是FW05提供的功能图示。

图3：LC709501F FW05提供的特性图示

通过直接支持四个LED显示电池电量，制造商无需增加一个额外的微控制器，节省了物料单（BoM）成本和降低设计复杂性。评估板（器件型号LC709501EVA05GEV）实施FW05并支持四种模式，如图4所示。

Function：功能

2-port （QC3.0 & 5V） Output：双端口port （QC3.0 & 5V）输出

Type-C DRP：Type-C双角色端口（DRP）

Output：输出

Input：输入

Smartphone：智能手机

Adapter：适配器

图4：FW05的4种模式

一种新的控制器

USB Type-C和PD的引入将为消费者和制造商带来巨大的好处，但因为开发人员需要学习如何接入新特性，以及对工程团队提出的要求，将需要一段时间来调整。

开发一个移动电源，完全支持PD，包括多个输出和快速充电，将需要一种新的控制器，以USB 3.x为核心而开发。LC709501F是一系列设备的一部分，以使USB PD更简单、更易于开发人员接入，而且它提供难以超越的集成度。它的静态电流超低，仅15 µA，加上不需要额外的微控制器的特性，说明它可提供所有这些功能，同时消耗最少的电池电量。

通过供应商定义消息模式配置控制器的能力是相对于功能较少的控制器的另一个优势，使制造商能够差异化他们的产品，同时仍然完全符合USB IF规范。