使用独立的PD控制器简化USB-C PD设计

独立的 PD 控制器无需开发固件即可管理电源协商，从而帮助解决解决方案尺寸和成本等设计挑战。本文将简要介绍5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V电压轨的同化如何提供供电的多功能性，减少房屋周围的电缆需求。然后，它引入了一个独立的PD控制器，通过包括端口检测和非易失性存储器，消除了对自定义固件的需求。

介绍

便携式电池供电电子设备（如手机、笔记本电脑、无线扬声器、电动工具等）的 USB 供电 （PD） 市场持续增长。USB PD为消费者提供了巨大的好处，因为它可以从同一个USB Type-C连接器提供高达240 W的功率（在USB PD Revision 3.1规范中）。图 1 显示了通过 USB Type-C 连接器充电的手机。

USB PD 带来了新的电源要求挑战，因为提供多种电压和电流组合（5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V、48 V 和 1.5 A、3 A、5 A 等），以提供 USB PD 标准可以提供的宽范围电源。电源（如墙上适配器）和串联设备（如手机）在电源通过 USB 电缆供电之前，分别以适当的电压和电流水平传达其电源能力和电源需求。

一些解决方案需要多个集成电路 （IC），包括端口检测器、微控制器和用于供电的充电器。虽然这些解决方案有效，但它们会占用电路板上的空间，增加解决方案成本，并且需要自定义固件，创建固件可能非常耗时。

独立的 PD 控制器无需开发固件即可管理电源协商，从而帮助应对这些挑战。

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2.5 W手机和25 W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。

在我们了解USB PD之前，我们必须重新审视以前的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 5 V 和 500 mA 的最大电流。

随着时间的推移，消费者开始对USB提出更多要求。他们希望通过USB电缆快速为电池充电，其中500 mA的最大电流已不再足够。BC1.2 标准允许通过 USB 电缆传输高达 7.5 W（5 V 和 1.5 A）的功率，从而满足了这些消费者需求。BC1.2 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15 W（最大值），而USB PD 3.0将系统功率升级到100 W（最大值）。最新的规格更新 USB PD3.1 将功率能力进一步扩展到 240 W（最大值）。

BC1.2 和 Type-C 1.3 继续提供所有先前版本的 USB 标准中使用的 5 V 电压轨，并通过将最大电流增加到 7.5 A 和 15 A，将功率能力分别提高到 1.5 W 和 3 W。它允许两个设备通过 USB 电缆传输高达 3 V 和 0 A 的电压。新的 PD100.20 规范支持高达 5 V 和 3 A 的电流。

图 2 总结了每个 USB 标准允许的功率能力、最大电流和电压。

图2.每个 USB 规范的电源功能。

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5 V的最小电压和48 V的最大电压，而且还必须在两者之间提供一些电压轨。

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

电源还在每个电压轨上提供不同的电流输出。具有5 V电源轨的电源在此电源轨上提供500 mA至3 A电流。9 V 时 1 V 轨传输电流介于 67.3 A 和 9 A 之间的产品。电源在1 V电源轨上提供8.3 A至15 A电源。最后，电源在 2 V 电压下提供 25.5 A 至 20 A 电流（图 3）。

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

图3.USB PD3.0 电压和电流功能。

除了标准电压和电流电源外，USB PD 规范还提供可编程电源 （PPS） 功能。PPS 功能允许在线设备请求电源的电压和电流发生微小变化。

PPS功能通过优化开关充电器的工作点，对于加速锂离子电池的充电最有用。在充电周期的恒流阶段，充电器为电池提供固定电流，电池电压将缓慢增加到最终充电终止电压。通常，充电器的输入将是固定的，当充电器的输入远大于电池电压时，会产生功率损耗。PPS 功能可调整充电器的输入电压，使其在接近峰值效率时运行。由于功耗更低，电池充电速度更快，充电电流增加。

PPS 允许沿 USB 电缆进行无数次电压和电流组合。想要使用PPS功能的设计人员必须找到一种方法，让电源和在线设备就电源应提供多少功率达成一致。

USB-C PD 设计模块

在离散的USB PD系统下开始充电并非易事。电源（如墙上适配器）通过 USB 电缆连接到串联设备，如电话或电钻。两种器件通常需要多个 IC 来实现来回通信，以使电源准备好提供串联器件电源（图 4）。

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，并在串联器件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，但许多应用程序仍然使用较旧的USB规范。BC1.2 兼容端口具有 D+/D– 引脚，而不是 CC 引脚，用于传输电源的电源功能。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 可安全有效地为串联设备上的电池充电。电源将为直插式设备（充电器的输入源）提供恒定电压。然后，充电器将确保电池按照电池的电压、电流和温度规格充电。

最后，微控制器单元（MCU）模块组织其他IC之间的通信。MCU与CC引脚检测IC通信，以确定电源的功率能力。然后，MCU将电源的能力与充电器和电池的功率需求进行比较，以确定电源应提供多少电流和电压。MCU 将最终电源设置通信回 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 将配置并启用充电器。

USB PD需要比传统USB或标准Type-C设计提供更多的元件。更多的IC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件之间的通信并满足所有USB PD 3.0标准要求。固件设计本身可能会产生更长的开发周期，除非设计人员对USB规格有深入的了解。

独立 PD 控制器

独立的 PD 控制器通过将 CC 引脚检测、BC1.2 检测和 MCU 集成到一个 IC 中，有助于简化 USB PD 设计。四 IC 设计现在变为两个，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件是嵌入式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快速了解这些规范。

独立PD控制器的一个例子是MAX77958（图5）。MAX77958的两个独特特性是非易失性存储器和I。2直接控制配套充电器的 C 主端口。这两种特性都有助于消除对外部MCU和自定义固件开发的需要。

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，然后将其加载到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 或发送 I2C命令通过I向充电器发送2C 主端口。

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

图 6 显示了设计器可用于对自定义脚本进行编程的一些函数。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，可大大减少开发时间。

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：5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V 和 48 V，以帮助适应各种电源功能。电源和在线设备现在需要协商电流和电压电平，然后才能开始充电。

独立的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。独立的 PD 控制器有助于加速您的设计开发，确保您始终领先于 USB PD 的最新趋势。

审核编辑：郭婷