使用USB Type-C PD設(shè)計(jì)更靈活的移動電源

智能手機(jī)、平板電腦和其他便攜式設(shè)備使用的快速增長推動了對手持便攜式電源的需求。根據(jù)市場研究，預(yù)計(jì)到 2022 年，移動電源市場規(guī)模將超過 250 億美元?；?USB 的設(shè)計(jì)是移動電源設(shè)計(jì)中最受歡迎的。

USB 規(guī)范在 1990 年代中期被定義為用于將外部外圍設(shè)備連接到個人計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議。在 2000 年代初期，隨著越來越多的便攜式設(shè)備被引入市場，為它們供電成為一個關(guān)鍵因素。USB 標(biāo)準(zhǔn)在便攜式市場中具有顯著優(yōu)勢，因?yàn)樗軌蚴褂孟嗤奈锢?a target="_blank">連接器傳輸數(shù)據(jù)和電源。但是，在引入 USB 電池充電 （BC） 規(guī)范之前，USB 供電方法并不可靠。

在 BC 1.0 規(guī)范引入之前，USB 標(biāo)準(zhǔn)下行端口（SDP）默認(rèn)提供最大 100mA，通過電源協(xié)商配置時最大提供 500mA，這是由 2000 年推出的 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)定義的。 2007 年發(fā)布的電池充電規(guī)范 （BC 1.0） 將專用充電端口 （DCP） 的最大電流限制擴(kuò)展至 1.5A。2010 年，BC 1.2 規(guī)范發(fā)布，將最大電流限制提高到 5A。最新的 USB 供電 （PD） 規(guī)范通過 USB Type-C 連接器將供電能力擴(kuò)展至 100W。

大部分智能手機(jī)、平板電腦、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和便攜式設(shè)備都有 USB 連接器和電纜用于供電。本文討論USB Type-C PD移動電源的設(shè)計(jì)；即，帶有 USB Type-C 連接器并使用 USB 供電 （PD） 規(guī)范的移動電源。

傳統(tǒng)USB移動電源的設(shè)計(jì)

移動電源普遍使用鋰離子電池，因?yàn)槠涔β拭芏雀?、重量輕、自放電率低、維護(hù)成本低。表 1 顯示了 1 節(jié)和 2 節(jié)配置中鋰電池的額定電壓。通常，對于移動電源應(yīng)用，建議使用 2 芯配置，因?yàn)樾矢摺?/p>

［表 1 | 電池/電池的標(biāo)稱電壓。］

傳統(tǒng)的 USB 移動電源設(shè)計(jì)（見圖 1）由兩個 USB 端口組成：電池充電端口和電池放電端口（或 輸出端口）。

【圖1 | 傳統(tǒng) USB 移動電源的框圖。］

大多數(shù)設(shè)計(jì)中的電池充電端口是 USB Mini-B 或 Micro-B 連接器，然后連接到 USB 壁式電源適配器。電池放電端口通常是 USB Type-A 連接器，用于連接智能手機(jī)或任何其他便攜式設(shè)備。

電池充電子系統(tǒng)由 USB Mini-B 或 Micro-B 連接器、升降壓轉(zhuǎn)換器、電池參數(shù)測量電路和系統(tǒng) MCU 組成。鋰離子電池的充電曲線由恒流階段和恒壓階段組成，以確保高效安全地充電至電池的最大容量。MCU 控制調(diào)節(jié)電池充電電流的升降壓轉(zhuǎn)換器。MCU 有一個充電曲線控制塊，可根據(jù)充電算法處理電流和電壓曲線。MCU 還監(jiān)控和控制電池的這些充電曲線，以避免可能導(dǎo)致電池爆炸的過度充電和過熱。

電池放電部分也由 MCU 控制。電池參數(shù)測量電路向 MCU 提供電池電壓、放電電流和溫度數(shù)據(jù)，MCU 進(jìn)而根據(jù)電池放電算法處理電池放電。MCU 還控制輸出降壓-升壓轉(zhuǎn)換器為輸出端口上的外部設(shè)備供電。

MCU/控制器生成控制充電和放電控制電路所需的所有信號，從測量電路讀取參數(shù)值，確保電池安全，以及其他各種功能。

轉(zhuǎn)向 USB Type-C 供電

傳統(tǒng) USB 移動電源的應(yīng)用主要用于智能手機(jī)、平板電腦和其他可以用 5V 進(jìn)行令人滿意的充電的便攜式設(shè)備。今天的移動電源還需要能夠?yàn)楣P記本電腦、家用電器和其他需要更高輸出電壓、更高電流和更高額定功率的設(shè)備充電。各種便攜式設(shè)備和智能手機(jī)的制造商也推出了定制的充電標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)更高效的充電。

例如，蘋果充電、高通快速充電 （QC）、三星自適應(yīng)快速充電 （AFC） 和可編程電源 （PPS） 是智能手機(jī)中使用的一些改進(jìn)的充電方法。這些方法的額定電壓、額定電流和充電曲線是專有的，不再局限于 5V 輸出。這些充電協(xié)議不同于傳統(tǒng)的 BC1.2 規(guī)范，并具有擴(kuò)展的額定功率。

當(dāng)需要移動電源將其支持?jǐn)U展到其他專有充電標(biāo)準(zhǔn)時，USB Type-C PD 移動電源的重要性顯而易見。USB Type-C PD 標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 20V/5A （100W） 的電力輸送，足以為臺式電腦、筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、其他便攜式設(shè)備等供電。

Type-C 連接器已經(jīng)開始接管智能手機(jī)和平板電腦行業(yè)，不僅用作電源連接器，還用作數(shù)據(jù)端口和音頻插孔。Type-C 連接器具有以下已知優(yōu)勢：

可逆連接器：Type-C 解決了舊版 USB 連接器存在的連接器方向問題。對稱的連接器引腳對齊允許用戶以任何一種方式插入連接器，從而提高了易用性。

擴(kuò)展功率處理能力：Type-C 連接器可處理高達(dá) 100W 的功率。Type-C 電纜還能夠處理典型的 3A（有源電纜高達(dá) 5A）電流，而不會出現(xiàn)明顯的壓降。

備用模式支持：可以通過配置通道 （CC） 使用供應(yīng)商定義的消息 （VDM） 將附加引腳配置為備用模式支持。Type-C 連接器在交替模式下支持 Display Port、HDMI 和其他高速接口。

舊版 USB D+ 和 D- 線：Type-C 連接器向后兼容以前的 USB 標(biāo)準(zhǔn)到 USB 2.0，因?yàn)?D+ 和 D- 線可用。定義了兩組 USB 2.0 信號引腳以啟用電纜翻轉(zhuǎn)功能。

標(biāo)準(zhǔn) 24 針 Type-C 連接器的引腳圖如圖 2 所示。還顯示了實(shí)現(xiàn)移動電源應(yīng)用所需的引腳。

【圖2 | 標(biāo)準(zhǔn) Type-C 連接器引腳圖。］

D+ 和 D- 引腳檢測所連接設(shè)備（手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等）上的各種終端，并識別設(shè)備使用的充電方法。電力合同（即電壓和電流值）取決于充電方式或協(xié)議，因此終止檢測對于移動電源的性能非常重要。

配置通道 （CC） 引腳用于跨標(biāo)準(zhǔn) Type-C 電纜的 USB Type-C 連接的發(fā)現(xiàn)、管理和配置。在供電期間，CC 線（CC1、CC2）用作附加功能：電源協(xié)商。連接的端口使用 CC 線協(xié)商 USB 電纜上的電壓、電流和功率流向。V BUS線路經(jīng)協(xié)商后按既定合同供電。

使用 USB Type-C 進(jìn)行移動電源設(shè)計(jì)的最顯著優(yōu)勢是其靈活性以及通過單個連接器支持不同充電方式的能力。表 2 為傳統(tǒng) USB 與 USB Type-C PD 移動電源的對比分析。

［表 2 | 基于傳統(tǒng)USB與USB Type-C PD的移動電源對比】

從表 2 中可以看出，USB Type-C PD 移動電源憑借其可逆 Type-C 連接器的優(yōu)勢以及支持多種充電協(xié)議的能力，提供了卓越的功能。

USB Type-C PD移動電源設(shè)計(jì)

圖 3 顯示了典型 USB Type-C 移動電源的框圖。Type-C 移動電源具有單個 Type-C 連接器接口，用于對鋰離子電池進(jìn)行充電和放電。Type-C PD 控制器是移動電源的核心，負(fù)責(zé)管理控制鋰離子電池充電和放電的升降壓穩(wěn)壓器。

【圖3 | USB Type-C PD移動電源框圖。］

移動電源使用單個 Type-C 連接器支持兩種操作：電池充電和電池放電。

在電池充電期間，Type-C PD 控制器啟用消費(fèi)者路徑 FET，以便鋰離子電池開始充電。雙向升降壓轉(zhuǎn)換器控制電池充電電壓和電流以保持正確的充電曲線。Type-C PD 控制器持續(xù)監(jiān)控電池參數(shù)，以安全可靠地為鋰離子電池充電。

在電池放電或輸出期間，Type-C PD 控制器打開供應(yīng)商路徑 FET，移動電源充當(dāng)電源。Type-C PD 控制器與通過 Type-C 連接器連接的智能手機(jī)或設(shè)備進(jìn)行電源協(xié)商。然后，它控制降壓-升壓調(diào)節(jié)器的方向，以便鋰離子電池開始提供電流，為智能手機(jī)或其他連接的設(shè)備充電。

如今，可以使用專為滿足移動電源和電源適配器應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的 Type-C 控制器。例如，賽普拉斯半導(dǎo)體的 EZ-PD CCG3PA 控制器支持具有可編程電源 （PPS） 模式的 USB PD 3.0 規(guī)范。該控制器還支持傳統(tǒng)的 BC1.2 和各種專有充電方法，如高通快速充電 （QC）、三星自適應(yīng)快速充電 （AFC） 和 Apple 充電。

集成控制器內(nèi)置重要的系統(tǒng)級保護(hù)，包括過壓保護(hù) （OVP）、過流保護(hù) （OCP）、欠壓保護(hù) （UVP）、短路保護(hù) （SCP）、過溫保護(hù) （OTP） 和靜電放電 （ESD） ） 保護(hù)。D+/D-線上的集成可配置電阻器和終端進(jìn)一步簡化了設(shè)計(jì)。為了獲得最大的靈活性，我們提供支持 Type-C 和傳統(tǒng) Type-A 端口的控制器，以便隨著市場從 Type-A 過渡到 Type-C，移動電源可以與設(shè)備互操作。通過集成 V BUS等組件降低系統(tǒng)成本電壓調(diào)節(jié)器、電流檢測放大器、反饋控制、ADC、PWM 和其他功能。圖 4 顯示了基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 評估套件的移動電源和適配器應(yīng)用的示例布局。

【圖4 | 基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 評估套件的移動電源和適配器應(yīng)用的示例布局。］

通過可編程控制器，移動電源可以支持多種充電標(biāo)準(zhǔn)，如表 3 所示。圖 5 顯示了移動電源操作示例。

［表 3 | 可編程控制器可以支持多種充電標(biāo)準(zhǔn)。］

【圖5 | 移動電源操作流程圖說明示例。］

USB Type-C PD 正迅速成為便攜式設(shè)備和其他應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)USB移動電源與USB Type-C移動電源的對比分析清楚地表明，基于USB Type-C PD的移動電源代表了基于USB充電的未來。

審核編輯：郭婷