歡迎來到電源設(shè)計(jì)小貼士 Power Tips系列文章

本期，我們將繼續(xù)介紹從桶形插孔轉(zhuǎn)換到 USB Type-C PD的詳細(xì)知識(shí)。

全文約2,400 字，閱讀時(shí)長約6 分鐘

在過去數(shù)年里，支持電力輸送 (PD) 的 USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)已在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。這一普遍應(yīng)用得益于以下優(yōu)勢(shì)：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(yīng)用供電。為了減少電子廢棄物，歐盟和印度已著手推動(dòng)立法，要求自 2025 年起個(gè)人電子產(chǎn)品需采用 USB Type-C，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將擴(kuò)及電動(dòng)工具、智能揚(yáng)聲器、真空吸塵器、電動(dòng)自行車充電器和網(wǎng)絡(luò)等其他應(yīng)用。這些趨勢(shì)和法規(guī)迫使制造商尋找簡單而又經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)小貼士中，我們將討論系統(tǒng)電源注意事項(xiàng)，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(shè)計(jì)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(shè)備、僅供電的設(shè)備，或允許雙向功率流的設(shè)備（雙角色電源）。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹僅受電應(yīng)用。

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

在過去，添加一個(gè)配置有適當(dāng)功能的 USB PD 端口控制器，不僅需要深入了解 USB 認(rèn)證，還涉及大量固件開發(fā)工作。為簡化電源架構(gòu)并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，依托預(yù)編程 USB PD 控制器，設(shè)計(jì)人員可通過簡單的電阻分壓器設(shè)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(chǔ)器 (EEPROM)、MCU 或任何形式的固件開發(fā)。

圖 2 依托預(yù)編程 USB PD 控制器的 ADCIN 引腳，設(shè)計(jì)人員可通過簡單的電阻分壓器設(shè)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(shè)計(jì)之前，務(wù)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(qǐng)考慮如果適配器的功率過低，系統(tǒng)將如何運(yùn)行。

對(duì)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(duì)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?yàn)?45W 除以 3A 的結(jié)果為 15V。

如果您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為采用 15V 電源運(yùn)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(yùn)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)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(shí)能夠正常工作，但運(yùn)行性能水平可能會(huì)降低。

設(shè)計(jì)示例

假設(shè)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?yàn)殡姵仉妷嚎赡芨哂诨虻陀?15V 輸入，具體取決于充電狀態(tài)。將此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 USB PD 輸入只需一個(gè)簡單的獨(dú)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(gòu)。從圖中可知，將桶形插孔轉(zhuǎn)換為 USB PD 端口只需幾個(gè)元件。通過 ADCIN4 引腳連接到 ADCIN1 的簡單電阻器可設(shè)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(shè)置為 3A。

圖 3 27W USB PD 僅受電充電器參考設(shè)計(jì)方框圖

輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理

除了支持 USB PD 源輸入外，該設(shè)計(jì)還應(yīng)支持舊有的 USB 輸入源，例如 5V 和 2A。為避免輸入功率受限時(shí)輸入電壓崩潰，BQ25756E提供了輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理功能，當(dāng)輸入電壓降至參數(shù) Vin_dpm 設(shè)定值時(shí)，該功能將降低充電電流。Vin_dpm 應(yīng)設(shè)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(shí)，不會(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)將 Vin_dpm 設(shè)置為 4.75V 時(shí)，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(shè)置為 4.35V 以補(bǔ)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(shí)間。

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

USB PD 實(shí)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(gòu)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(gè)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。

先前已發(fā)布于 EDN.com 上。

隨著 USB?C PD 功率提升到 240W，你覺得桶形插孔還會(huì)在你的產(chǎn)品中存在多久？