如何实现USB Type-C与USB PD的电力快速输送的设计

USB已经从一个能够提供有限功率的数据接口演变为具有高速数据接口的主电源。 USB Type-C™和USB Power Delivery（PD）2.0（以及迫在眉睫的3.0版本）加速了这种发展。但是，需要注意为应用选择最具成本效益的解决方案，因为USB Type-C和USB PD提供多个功率级别。

例如，USB Type-C单独可支持高达5伏的电压在3安培（15 W）时，带有USB PD的USB Type-C允许生态系统在5安培（100 W）下支持多达20伏的功率水平。缺点是USB PD增加了设计复杂性和材料清单（BOM）的成本。

幸运的是，通过使用一系列最近推出的组件，设计人员可以利用新的功能，如可逆功率传输，电源协商和100瓦功率传输设计USB电源，可以安全，快速地为设备（甚至便携式计算机）充电。

本文试图通过USB Type-C和USB PD解释了设计人员如何在许多应用中使用USB Type-C以及何时应该迁移到USB PD以用于更高功率的应用。然后，本文将提供有关如何实现实用的USB Type-C和USB PD设计的指导。

USB变得更加专注

展示一定程度的远见，USB的原始设计者接口决定它应该携带数据和电源，允许低功耗外设从主机获取电源。如今，数十亿的电子设备采用USB连接，而且该技术远远超出了原先预期的计算机外围设备范围。

这种显着增长的不利因素是连接器数量增加带来的复杂性增加类型，带宽和功率电平范围从最初的5伏特，100毫安到20伏特，5安培。

幸运的是，事情变得更加集中，新设计倾向于选择高度灵活的USB Type-C规范1.0,2.0,3.0或3.1通信协议;如果需要更高的功率，USB PD 2.0/3.0电源协议。本文将考虑采用这些技术的设计。

USB Type-C和电池充电1.1和1.2

USB Type-C规范1.0于2014年底推出，以满足对紧凑型可逆插头连接器适用于主机和外围设备（图1）。这种未来的打样扩展到包含一个24针连接器，提供四个+5 V＆amp;接地对，USB 2.0数据总线的两个差分对，SuperSpeed数据总线的四对，两个边带使用引脚，有源电缆的VCONN + 5V电源，以及本文适用的通道配置（CC）引脚电缆定向检测和连接管理。特定应用中使用的引脚取决于所使用的通信协议和功率传输要求。

图1：USB Type-C连接器引脚。 CC1和CC2用于USB Type-C电缆连接的发现，配置和管理。请注意引脚布局如何允许可逆性。 （图片来源：STMicroelectronics）

随着便携式设备的激增，很明显原始版本的USB提供的500 mW不足以为未来的便携式设备供电（和充电）。因此，USB 2.0引入了500 mA的最大电流（将功率增加到2.5 W），而USB 3.0则将电流推高到900 mA（4.5 W）。

另一方面，智能手机的容量不断增长和平板电脑，以及USB越来越多地用于充电的事实，触发了专用电池充电协议的发布。 USB电池充电（BC）1.1，随后是1.2，是2010年USB 2.0的工程变更。

USB BC的聪明之处在于它认识到电池充电是USB的重要应用。例如，以前，没有办法为关闭的外围设备的电池充电。此外，即使设备已上电，如果USB端口在指定时间内没有从外设接收数据，也可以将其设置为“暂停”模式，允许的最大电流仅为2.5 mA，也是

USB BC规范概述了三种不同类型的USB端口：标准下行端口（SDP）;专用充电端口（DCP）;和充电下游端口（CDP）（图2）。

图2：USB电池充电（BC）规范定义了三种端口类型，标准下行端口（SDP），专用充电端口（DCP） ）和充电下游端口（CDP）。 （图像源：Maxim Integrated）

SDP在D +和D-线上都有15kΩ下拉电阻。 “悬空”时的电流限制为2.5 mA，连接时为100 mA，连接时为500 mA，配置为“更高功率”（由USB 2.0规范定义）。顾名思义，DCP无法支持任何数据传输，但可以为7.5瓦的功率输出提供高达1.5安培的电流。在这种配置中，D +和D-线短路。 CDP允许高电流充电和数据传输，完全符合USB 2.0。该端口具有D +和D-通信所需的15kΩ下拉电阻，以及在充电器检测阶段切换的内部电路。该内部电路允许便携式设备区分CDP与其他端口类型。

所有便携式设备需要做的是识别DCP在D +或D-上设置电压并观察另一条线路电压，从而确定线路短路。

增加电源

USB BC 1.1在将USB扩展到电池充电方面做得很好，1.2版增加输出到5安培（25 W）时最大5伏 - 足以充电一小时左右的典型智能手机。但设计人员面临的挑战是将其扩展到具有更大电池的产品，例如平板电脑和便携式计算机。

为了满足这一需求，USB实施者论坛（USB-IF）推出了USB供电（PD）1.0引入该标准的关键驱动因素是通过提供可互操作的充电标准来减少电子垃圾，该标准允许制造商提供一种能够为一套便携式设备供电的充电器。

关键特性USB PD 1.0包括最大20伏特，5安培（100瓦）（受国际安全要求限制）;兼容现有USB 2.0/3.0电缆和高达7.5瓦的连接器（否则需要升级电缆）;与USB BC 1.2共存。

虽然USB PD 1.0能够提供高达100瓦的功率，但它还提供了其他几种“电源配置文件”;但这些在很大程度上被制造商所忽视，并在USB PD 2.0中被删除并作为USB 3.1的一部分被采用。现在USB PD“电源规则”取代了电源配置文件，定义了5伏，9伏，15伏和20伏的四个电压等级。电源可以支持0.5到100瓦的任何最大源输出功率，而不是六个固定电平。提供超过15瓦的电源提供5伏和9伏的电压，提供超过27瓦的电源提供5,9和15伏的电压，提供超过45瓦的电源提供5,9,15和20伏的电压。

< p>电流可以连续变化（最高5 A），具体取决于所需的功率水平。此外，在任何给定的功率水平下，都需要一个源来支持所有较低的电压和功率水平，以确保更高功率的电源可以支持更低功率的设备（图3）。

图3：USB PD 3.0提供4个电压电平（5,9,15和20 V）和最高5安培的电流，可实现高达100瓦的功率输出。 （图片来源：德州仪器）

USB PD 3.0引入了一些改进，以增强系统的功率传输和稳健性，但未对Power Rules进行任何更改。 USB PD 2.0和3.0完全可互操作且向后兼容（表1）。

规格最大电压最大电流最大功率USB 2.0 5 V 500 mA 2.5 W USB 3.0和USB 3.1 5 V 900 mA 4.5 W USB BC 1.2 5 V 1.5 A 7.5 W USB Type-C 1.2 5 V 3 A 15 W USB PD 3.0 20 V 5 A 100 W

表1：随着电池充电（BC），Type-C的推出，最大USB电流增加和电力传输（PD）规范。 （图片来源：德州仪器）

对于设计人员而言，USB PD规范的其他值得注意的方面是主机和外设能够使用VBUS引脚“协商”电压和电流水平（即不依赖数据线）以及向任一方向提供电源的能力无需借助连接器切换。例如，该能力允许连接到主电源的显示器用于给笔记本电脑充电，同时从便携式计算机呈现信息。最后，各个设备随时协商所需功率的能力可提高系统效率。

USB供电设计

考虑采用基于USB的设计时在技术的大部分电源供应能力方面，值得花一点时间了解它如何处理数据和电力传输。这已经从最初的实施方式发生了很大的变化，即PC为外围设备供电并且数据双向交换。

在今天的实施中，下游端口（DFP）发送数据，可以获得VBUS电源并且是通常是主机或集线器;上游端口（UFP）接收数据，吸收（消耗）VBUS电源并连接到主机（例如，显示器）;并且双角色数据（DRD）端口可以充当DFP或UFP。对于DRD，端口的作用取决于它在启动时是作为电源（DFP）还是接收器（UFP），但如果需要，可以在操作期间动态更改其功能。 DRD端口通常用于智能手机或平板电脑。

在考虑功率流时，端口还可以采用双角色功率（DRP）配置。例如，便携式计算机可以具有用于为其电池充电的DRP端口，但是稍后可以用于为诸如硬盘驱动器的外部设备供电。对于设计者来说生活变得有点复杂，因为有DRP的子类，即采购设备和下沉主机。采购设备可以提供电力，但无法充当DFP广告管理系统。同样，下沉设备可以接收电源，但不能充当UFP。

虽然其他USB连接器仍然很受欢迎，但许多新设计往往倾向于Type-C，因为它具有长期优势提供。同样，新设计通常使用USB 2.0或3.0。

没有USB PD的USB Type-C（1.2）在3安培（15 W）时提供5伏的健康最大值，因此适用于宽屏不增加USB PD复杂性的应用范围。例如，15瓦足以在30分钟内为智能手机电池充电，或者在2.5小时内为平板电脑充电。还提供5伏，1.5安培（7.5 W）版本。

USB Type-C在CC1和CC2引脚上采用上拉电阻（用于DFP）和下拉电阻（UFP） 。上拉电阻（Rp）决定DFP的当前供应容量。 UFP上的固定值下拉电阻（Rd）与Rp形成分压器。通过检测分压器中心抽头的电压，UFP可以检测到DFP的广告电流（图4）。

图4：DFP和UFP监视器上的上拉和下拉电阻用于连接和方向，而UFP上的电阻也可以检测到DFP公布的当前广告。 （图片来源：德州仪器）

如果两个端口都支持DRP，则连接的结果可能会受到两个可选功能的影响：“Try.SRC”（将端口设置为DFP）和“Try.SNK”（UFP）。根据应用，这些设置可能非常重要。例如，智能手机开始为便携式计算机充电是没有意义的。

德州仪器的TUSB320芯片是USB Type-C USB 2.0实现的良好基础。它也是将传统连接器USB 2.0设计更改为USB Type-C升级的快速方法。使用TI芯片的DFP实现如图5所示.ID信号表示端口配置为DRP时的标准移动实现。虽然DFP广告管理系统并不是绝对必要的，但它可以方便地控制电源开关（FET）。

图6显示了使用相同芯片的UFP实现。该芯片可以使用GPIO或（可选）I 2 C输入进行配置，并允许其他设计人员友好的功能。

图5

图6

图5＆amp; 6：使用TI TUSB320芯片的USB Type-C USB 2.0 DFP（图5）和UFP实现（图6）。 （使用Digi-Key Scheme-it®从德州仪器的原始源图像绘制的图表）

添加USB PD

需要比标准USB Type-C端口提供更多功率以便为其电池充电的产品（例如便携式计算机）将需要USB PD的资源。该技术允许外设通过USB电缆协商比USB 2.0/3.0/3.1规范中定义的更高电流和/或更高或更低的电压。通过USB Type-C CC线进行通信。不利的一面是，USB PD增加了设计的复杂性和成本，因此只有在严格要求超过USB Type-C 5伏3安培电源支持时才能指定。

特别是USB与上述USB Type-C USB 2.0实现相比，PD需要四个新元件。此外，必须使用更强大的FET升级VBUS电源开关，使其能够处理高达20伏和5安培的电压。

更高功率的FET需要栅极驱动器。一些设计人员更喜欢使用集成高功率FET的栅极驱动器，然后可以驱动更高功率的外部FET。但是，由于USB Type-C连接器的引脚密度高于传统USB设备，因此将VBUS短接到相邻引脚的风险更高。当系统承载USB PD的更高电压和电流时，这是一个更加严重的危险。

因此，添加短路保护以避免灾难性故障是一种很好的设计实践。一些芯片供应商为此任务提供单芯片解决方案，以节省设计保护电路所需的时间。

PD PHY和PD管理器

也许是设计时最重要的补充结合USB PD是PD PHY和PD管理器。这些设备一起管理DFP和UFP之间的CC线路上的通信。通过此通信，DFP广告管理系统可宣传其可支持的功率级别，然后允许UFP请求支持的功率级别以满足其需求。一旦达成功率水平，就会调整电压和电流水平。图7显示了使USB Type-C USB 2.0设计能够进行USB PD操作所需的升级和添加元素。

图7：USB Type-C USB 2.0实现需要额外的突出显示元素（蓝色块）才能使其能够进行USB PD操作。 （图像来源：德州仪器公司）

PD管理器和PD PHY执行不同的任务：PD PHY驱动跨越CC线路的通信，但它本身就是一个“哑”设备。相比之下，PD管理器是一个“智能”设备，由支持PD协商的复杂状态机组成，并通过指示PD PHY执行广告，请求和确认功率级别等功能来驱动PD PHY。这些功能的细微差别很复杂，超出了本文的范围。可以说USB PD实现总是需要PD管理器和PD PHY。

硅供应商提供将PD管理器和PD PHY分开的解决方案，或者将这两种功能组合到单个芯片上。例如，TI提供TPS25740，这是一种源控制器，包括用于VBUS电源开关，CC逻辑，USB PD管理器和PD PHY的栅极驱动器。该芯片符合USB PD 2.0标准，因此可提供5,12和20伏的电压，以及15至100瓦的功率输出。

TPS25740是DFP广告管理系统解决方案的合适基础。它会自动处理VBUS输出的放电。保护功能包括过压，过流，过温和系统覆盖，以禁用栅极驱动器。

TI TPS65982采用更高的集成度。除了集成USB PD管理器和USB PD PHY外，该芯片还可控制外部大电流电源开关，并将高速数据多路复用到USB 2.0和备用模式边带信息的端口。 CC引脚上的混合信号前端通告默认值为1.5或3安培的USB Type-C电源，检测到插头事件并确定USB Type-C电缆方向，并自动协商USB PD功率电平。 TPS65982可以作为DFP，UFP或DRP运行。

同样高度集成的解决方案来自赛普拉斯半导体及其CYPD2103 EZ-PD CCG2端口控制器。该芯片采用ARM M0处理器和32 KB闪存，不仅提供USB PD管理器和PD PHY，还集成了USB Type-C端口控制器和终端电阻。该芯片可采用2.7至5.5伏电源供电，可与无源电缆，有源电缆和电源配件一起使用。

与TI的TPS65982一样，CYPD2103可设计为DFP，UFP和DRP拓扑结构。也可以使用CY4541评估套件对笔记本电脑的USB Type-C DRP应用进行修改和配置。图8显示了与EVK一起提供的CCG2/3/4控制器的USB Type-C和USB PD规范兼容固件堆栈以及应用程序固件。

图8：赛普拉斯半导体的CY4541评估套件包括USB Type-C和USB PD兼容固件堆栈。 （资料来源：赛普拉斯半导体公司。）

结论

与其作为提供逐渐增加的带宽的数据通信技术的发展同步，USB技术已经发展到满足更多功率处理能力的需求。

特别是USB Type-C具有可逆连接器和更大的灵活性，以及USB PD电源协议，可提供功率级别，以满足未来便携式设备的需求。对于需要高功率输入以减少充电时间的产品，开发人员可以使用此功能。

带USB 2.0的USB Type-C最大功率为15瓦，带宽为480 Mbit/秒。它适用于广泛的应用，实施起来相对简单，并最大限度地降低了组件成本。对于更高功率的应用，可以将USB PD添加到新设计或现有设计中，将最大功率提升至100瓦。使用USB PD进行设计更为复杂，但可以通过将电源基于集成USB Type-C控制器与USB PD PHY/管理芯片相结合来实现。请注意，供应商还提供一系列专门用于帮助工程师加速设计过程的开发工具。