使用microchip參考設(shè)計開發(fā)您的下一個基于USB-C PD的充電器

USB Type-C?端口和電纜的普及

自 90 年代早期發(fā)展以來，USB 逐漸變得更快、更小、更強(qiáng)大，并且隨著它在現(xiàn)代電子設(shè)備和設(shè)備中的普及而不斷發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的最新更新導(dǎo)致對USB Type-C或USB-C的需求激增，使其成為在各種計算設(shè)備之間移動電源和數(shù)據(jù)的先驅(qū)和標(biāo)準(zhǔn)。

如今，使用USB供電（PD）的基于USB Type-C端口的充電器越來越受歡迎，而不是用于為筆記本電腦，顯示器和平板電腦等設(shè)備以及功率范圍從5瓦（W）到100W的智能手機(jī)等設(shè)備充電或供電的傳統(tǒng)充電器。較新的版本將獲得更高的功率水平，范圍從140-240W。即使是更小、更低功耗的手持設(shè)備，如耳機(jī)和可穿戴電子設(shè)備，也正在轉(zhuǎn)向基于 USB Type-C 的充電系統(tǒng)，因為 USB-C 具有小尺寸和靈活性。

為了執(zhí)行傳統(tǒng)的USB功能，客戶不僅需要USB來滿足其數(shù)據(jù)要求，還需要毫不費(fèi)力地為其設(shè)備供電或充電。在這篇文章中，了解我們高度靈活的USB PD雙端口參考設(shè)計，支持USB 3.0，如何實現(xiàn)有效的應(yīng)用。

USB 的設(shè)計優(yōu)勢

現(xiàn)在需要更高的電壓和功率水平，以滿足USB PD充電器對快速充電和高功耗設(shè)備的需求。隨著USB PD相對于傳統(tǒng)充電方法的不斷發(fā)展和發(fā)展，了解USB PD設(shè)計可以克服的不同挑戰(zhàn)非常重要。

USB PD 利用電源規(guī)格提供高達(dá) 100W 的功率，并通過 USB-C 電纜和連接器支持 9V、15V 和 20V。事實上，USB PD 修訂版 3.1 規(guī)范是一項重大改進(jìn)，允許通過全功能 USB Type-C 電纜和連接器提供高達(dá) 240W（48V）的功率。基于 USB PD 的充電器為各種電子設(shè)備充電或供電的寬功率范圍如下：

我們基于 USB PD 3.0 的參考設(shè)計支持高達(dá) 100W 的功率，并為客戶提供可擴(kuò)展性和靈活性，以便根據(jù)需要輕松升級。

借助USB PD，連接的設(shè)備可以根據(jù)電源要求或角色充當(dāng)電源或電源接收器/負(fù)載。這有助于消除對不同設(shè)備的不同電源適配器和充電器的需求。例如，由墻上的標(biāo)準(zhǔn)交流電源供電的顯示器可以為筆記本電腦供電/充電;使用USB PD和墻上電源的手機(jī)可以在顯示的同時為筆記本電腦供電或充電。這大大提高了便利性，同時減少了電子廢物，這是USB PD設(shè)計的共同主題。視頻通信、數(shù)據(jù)傳輸和電源均使用單個USB終端實現(xiàn)，提供無縫和同步傳輸。

USB 連接中的數(shù)據(jù)/電源流

USB 連接中有三種不同類型的數(shù)據(jù)流和電源流。如果我們看一下電源角色，接收器端口是連接下游并從 VBUS 接收電源的端口。通常，電子設(shè)備包括灌電流端口。源端口通過 VBUS 供電。壁式充電器是包含源端口的單元的示例。此外，雙角色電源 （DRP） 端口可用作接收器或源，在兩種狀態(tài)之間交替使用。一種常見的情況是筆記本電腦，它包含一個DRP端口，用于接收電源為電池充電，同時還能夠提供電源并為外部設(shè)備或配件充電。

現(xiàn)在查看數(shù)據(jù)角色，面向下游的端口 （DFP） 是集線器或主機(jī)上的端口，設(shè)備通過提供 VBUS 電源（設(shè)備和主機(jī)之間的路徑）連接到該端口并向下發(fā)送數(shù)據(jù)。塢站是 DFP 的一個示例。面向上游的端口 （UFP） 連接到集線器或主機(jī)的 DFP，并在設(shè)備上接收數(shù)據(jù)，通常接收 VBUS。顯示監(jiān)視器是 UFP 的一個示例。雙重角色數(shù)據(jù) （DRD） 端口可以作為 DFP 或 UFP 運(yùn)行，端口的初始電源角色由首次連接時的角色確定。例如，源端口承擔(dān) DFP 的數(shù)據(jù)角色，而接收器端口承擔(dān) UFP 的數(shù)據(jù)角色，但數(shù)據(jù)角色是動態(tài)交換的，就像在具有 DRD 端口的智能手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦中一樣。

圖 1：USB-C：主機(jī)到設(shè)備的連接

隨著電子和技術(shù)的復(fù)雜性不斷進(jìn)步，USB的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。接口計算機(jī)和設(shè)備的新特性和功能正在穩(wěn)步引入，以克服可預(yù)見的挑戰(zhàn)。例如，USB PD 版本 3.0 規(guī)范中定義了快速角色交換 （FRS），以防止集線器及其設(shè)備在移除電源時遇到數(shù)據(jù)通信中斷。發(fā)生這種情況時，主機(jī)會將其電源角色從接收器更改為源，并且 DRP 集線器開始吸收電源并繼續(xù)運(yùn)行，盡管發(fā)生斷電事件。

為了滿足對更高效設(shè)備充電日益增長的需求，定義了可編程電源（PPS）標(biāo)準(zhǔn)。在PPS的幫助下，可以根據(jù)每10秒交換的數(shù)據(jù)實時改變電流和電壓。這允許根據(jù)設(shè)備的充電狀態(tài)提供最大功率。這不僅有助于實現(xiàn)更快的充電速度，還有助于降低充電過程中的轉(zhuǎn)換損耗，從而降低發(fā)熱并延長電池壽命。

USB的不同應(yīng)用

智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和臺式機(jī)是 USB 充電的一些常見應(yīng)用。然而，汽車的現(xiàn)代化現(xiàn)在需要安裝內(nèi)置于控制臺中的USB-C端口。每年生產(chǎn)的汽車往往平均有四個端口，每個端口根據(jù)所制造的汽車的大小而變化。甚至沒有提到只有充電USB端口的第二排和第三排座椅，汽車為USB Type-C不斷增長的市場量做出了巨大貢獻(xiàn)。我們開發(fā)了自己的USB PD設(shè)計，可在雙端口模式下提供高達(dá)90W的功率，并支持9-18V的汽車應(yīng)用。

雙端口 USB-C PD 參考設(shè)計

我們提供基于 DSPIC33CK128MP505 單核數(shù)字信號控制器 （DSC） 的 USB-C PD 參考設(shè)計。這種高度靈活的基于軟件的解決方案除了過壓和過流保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)功能外，還實現(xiàn)了熱管理和電荷平衡。該設(shè)計可為汽車應(yīng)用支持 9-18V 輸入，在雙端口模式下可提供高達(dá) 90W 的功率。我們的綜合解決方案根據(jù)最新的 USB 3.0 規(guī)范進(jìn)行了更新，包括一個 MCP16331 降壓穩(wěn)壓器、一個 MCP1755 LDO、兩個 MCP14700 半橋柵極驅(qū)動器和 UPD350B 收發(fā)器，為灌電流、拉電流、DRP、FRS 和 PPS 提供全面支持。

圖2.雙端口 USB-C? PD 參考設(shè)計

圖3.差異化特性（USB-C PD 參考設(shè)計）

結(jié)論

在為現(xiàn)代電子設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)方面，USB-Type C 因其靈活性和可擴(kuò)展性而成為每個人的首選。隨著它的普及，我們將繼續(xù)看到USB-C端口數(shù)量的增加，特別是對于供電（USB PD）應(yīng)用。我們的成本和性能優(yōu)化參考設(shè)計與dsPIC33控制器的最佳外設(shè)和軟件靈活性相結(jié)合，可以幫助您進(jìn)行下一個USB設(shè)計，并有助于加速開發(fā)。

審核編輯：郭婷