在過去數(shù)年里，支持電力輸送 (PD) 的 USB Type-C? 標準已在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛應用。這一普遍應用得益于以下優(yōu)勢：統(tǒng)一端口（減少電子廢棄物）、便捷的可逆連接器以及大功率能力等。

如 圖 1 所示，最新版本的 USB PD 3.1 將 USB 的功率能力提升至 240W，相較之前 USB PD 3.0 規(guī)范的 100W 可用功率增加一倍以上。這使得現(xiàn)在可以通過 USB 為各種全新應用供電。為了減少電子廢棄物，歐盟和印度已著手推動立法，要求自 2025 年起個人電子產(chǎn)品需采用 USB Type-C，預計這一趨勢將擴及電動工具、智能揚聲器、真空吸塵器、電動自行車充電器和網(wǎng)絡等其他應用。這些趨勢和法規(guī)迫使制造商尋找簡單而又經(jīng)濟的方法，以將其產(chǎn)品上的電源連接器從桶形插孔轉(zhuǎn)換為 USB-C 連接器。

圖 1 USB 電源標準，其中最新 USB PD 3.1 版本將 USB 的功率能力提升至 240W

在本期電源設計小貼士中，我們將討論系統(tǒng)電源注意事項，并演示如何快速、輕松打造 USB-C 連接器和電源管理電路，從而協(xié)商適配 USB PD 合約來滿足設計的功率要求。

USB PD 功率流

同樣值得注意的是，USB PD 生態(tài)系統(tǒng)中有三種類型的功率流：僅受電的設備、僅供電的設備，或允許雙向功率流的設備（雙角色電源）。在本文中，我們將重點介紹僅受電應用。

采用 USB PD 的接收端設備在接收來自 USB PD 電源的供電之前，必須在受電設備和電源之間進行一些握手和協(xié)商。這是因為 USB PD 電源總線的電壓可以在 5V 至 48V 之間變動，具體取決于電源的功率能力。您顯然不會想要將 48V 電壓施加到僅應用于 15V 輸入源的受電設備。在 USB PD 接收端應用中，需要一個被稱為端口控制器的專用設備來執(zhí)行此功率合約協(xié)商，并提供過流和過壓等保護。

在過去，添加一個配置有適當功能的 USB PD 端口控制器，不僅需要深入了解 USB 認證，還涉及大量固件開發(fā)工作。為簡化電源架構并降低設計復雜度，依托預編程 USB PD 控制器，設計人員可通過簡單的電阻分壓器設置來配置最大和最小電壓以及電流接收能力，如 圖 2 所示。這樣就無需外部電擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM)、MCU 或任何形式的固件開發(fā)。

圖 2 依托預編程 USB PD 控制器的 ADCIN 引腳，設計人員可通過簡單的電阻分壓器設置來配置最大和最小電壓以及電流接收能力。

協(xié)商功率合約并匹配系統(tǒng)功率要求

在將產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為 USB PD 設計之前，務必了解 USB PD 生態(tài)系統(tǒng)的限制和要求。在電纜的源端，USB PD 電源將為系統(tǒng)供電，但使用產(chǎn)品的人員可以連接任意 USB PD 適配器或其他電源。您需要考慮為系統(tǒng)提供全功率所需的功率合約。此外，請考慮如果適配器的功率過低，系統(tǒng)將如何運行。

對于低于 20V 的電壓，流經(jīng) USB Type-C 電纜的可用電流限制到 3A，對于 20V 及更高的電壓，可用電流限制到 5A。此外，USB PD 電源只需要生成在最大允許電纜電流下提供額定功率所需的最低電壓。例如 45W 適配器通常提供 15V 的最大輸出電壓，因為 45W 除以 3A 的結果為 15V。

如果您的系統(tǒng)設計為采用 15V 電源運行，但需要 50W 功率，這該怎么辦？在此情況下，您需要配置端口控制器以接受更高的電壓合約（例如 20V），從而確保有充足功率運行系統(tǒng)，并需要保障系統(tǒng)可處理這一稍高的輸入電壓。除了添加 USB Type-C 連接器和端口控制器之外，還需要對產(chǎn)品進行細微修改。另外，您通常仍然希望產(chǎn)品在連接到功率容量不足的 USB PD 電源時能夠正常工作，但運行性能水平可能會降低。

設計示例

假設一款產(chǎn)品需要以 27W 的功率為 4 至 7 節(jié)電池充電，且產(chǎn)品之前通過 15V 桶形插孔供電。本例使用了降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，因為電池電壓可能高于或低于 15V 輸入，具體取決于充電狀態(tài)。將此設計轉(zhuǎn)換為 USB PD 輸入只需一個簡單的獨立式 USB PD 控制器（例如 TPS25730）和降壓/升壓電池充電器。圖 3 顯示了系統(tǒng)架構。從圖中可知，將桶形插孔轉(zhuǎn)換為 USB PD 端口只需幾個元件。通過 ADCIN4 引腳連接到 ADCIN1 的簡單電阻器可設置功率曲線，無需任何固件開發(fā)工作。在此情況下，即使可用功率降低，產(chǎn)品仍必須使用 5V 電源充電，因此 TPS25730 配置為 20V 最大電壓和 5V 最小電壓，工作電流設置為 3A。

圖 3 27W USB PD 僅受電充電器參考設計方框圖

輸入電壓動態(tài)電源管理

除了支持 USB PD 源輸入外，該設計還應支持舊有的 USB 輸入源，例如 5V 和 2A。為避免輸入功率受限時輸入電壓崩潰，BQ25756E 提供了輸入電壓動態(tài)電源管理功能，當輸入電壓降至參數(shù) Vin_dpm 設定值時，該功能將降低充電電流。Vin_dpm 應設置為略低于輸入電壓減去通過電纜和電源路徑壓降的值，以便在顯著增大電池充電電流的同時，不會導致輸入源過載或輸入總線不穩(wěn)定。

圖 4 顯示了使用 1 米 USB 電纜（0.25Ω 電阻）從 5V/2A 電源充電的實驗結果。當將 Vin_dpm 設置為 4.75V 時，可以看到輸入充電電流受限并且不穩(wěn)定（圖 4 的左邊部分）。如果正確配置，將 Vin_dpm 設置為 4.35V 以補償電阻壓降，輸入電壓保持穩(wěn)定并且充電電流提升 50%，這將顯著縮短充電時間。

圖 4 使用 1m USB 電纜通過 5V/2A 電源充電時的輸入動態(tài)電源管理

USB PD 實現(xiàn)方式

無需深入了解 USB PD，采用簡化的 USB PD 控制器和電池充電器架構即可。不僅無需使用額外的 MCU 和 EEPROM（且無需開發(fā)固件），還可僅通過一個簡單的電阻分壓器來配置電壓和電流接收能力，助力快速將桶形插孔轉(zhuǎn)換為 USB Type-C 輸入。