如何通過最少的編程工作將 USB-C 設(shè)備的傳輸功率迅速提升到 100 W

作者：Jens Wallmann

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

隨著通用串行總線 Type-C (USB-C) 端口越來越普遍，許多用戶都依賴這種端口為各種連接設(shè)備提供更高水平的電源。不過，USB-C 規(guī)范將“僅限 Type-C”設(shè)備的基本電源限制為最大 15 W（5 V，3 A）。

為了突破這一限制，設(shè)計(jì)人員可以增加 USB 功率輸送 (PD) 功能，并構(gòu)建一個(gè)能在標(biāo)準(zhǔn)功率范圍 (SPR) 內(nèi)提供高達(dá) 100 W (20 V, 5 A) 功率的 Type-C PD 設(shè)備?，F(xiàn)在，開發(fā)人員不必再費(fèi)盡心力地針對(duì)全面的 USB PD 協(xié)議進(jìn)行編程，而是能夠輕松地配置現(xiàn)成的 PD 控制器，并為 AC/DC 充電器、電流控制 USB 端口添加定制和優(yōu)化型 PD 功能。

本文概述了 PD 系統(tǒng)的核心要求。然后介紹 [onsemi]的 [FUSB15101MNTWG] PD 控制器，并展示如何使用評(píng)估板、開發(fā)軟件、編程/調(diào)試適配器和 PD 協(xié)議分析儀對(duì)預(yù)編程控制器固件開啟快速配置。

具有協(xié)議控制式功率調(diào)節(jié)功能的開關(guān)轉(zhuǎn)換器

曾幾何時(shí)，用于電池供電型設(shè)備的壁插式模擬充電器只有兩個(gè)組件：變壓器和整流器?，F(xiàn)在，要同時(shí)滿足更高能效、更高靈活性和不斷小型化方面的需求，使得為簡(jiǎn)單的電子設(shè)備供電成為一項(xiàng)復(fù)雜的工作。如今，基于微控制器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器必須通過復(fù)雜的協(xié)議與所連接的智能負(fù)載以動(dòng)態(tài)形式協(xié)商輸出功率。

USB PD 就是這樣一種協(xié)議。在該協(xié)議的 3.1 版中，通過智能 USB Type-C 電子標(biāo)記電纜組件 (EMCA) 連接電纜協(xié)調(diào)高達(dá) 240 W 的電源線路功率，同時(shí)還保持了能夠兼容舊版 USB 標(biāo)準(zhǔn)的向后兼容性。然而，通過 24 針 USB-C 連接器對(duì)動(dòng)態(tài) PD 功率傳輸?shù)目刂七h(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)四線 USB 接口數(shù)據(jù)線上的靜態(tài)控制電壓。

USB PD 設(shè)備可作為面向下游端口 (DFP) 的電源、面向上游端口 (UFP) 的用電器（或“受電設(shè)備”）或以雙重角色端口 (DRP) 模式運(yùn)行。PD 源設(shè)備在內(nèi)部將上拉電阻器切換到兩路控制線（CC1 和 CC2）上；PD 受電設(shè)備通過內(nèi)部下拉電阻進(jìn)行自身識(shí)別。

兩條 CC 線路同時(shí)用于以 300 kHz 的時(shí)鐘頻率傳輸長(zhǎng)度達(dá) 356 位的 PD 信息（圖 1）。較短的控制信息可協(xié)調(diào)兩個(gè)端口合作伙伴之間的信息流，而較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息則用于協(xié)商電源并控制內(nèi)置自檢 (BIST) 或傳輸具體的 OEM 內(nèi)容。

圖 1：PD 信息結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度可達(dá) 356 位。（圖片來源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供）

PD 設(shè)備之間的功率協(xié)商

USB PD 3.0 SPR 定義了 5 V 至 20 V 之間的幾個(gè)固定電壓等級(jí)，并且僅支持最高 100 W 的靜態(tài)功率曲線。利用可編程電源 (PPS) 的擴(kuò)展功能，USB 受電設(shè)備可根據(jù)自身需要，以 20 mV 為增量，實(shí)時(shí)請(qǐng)求 USB 電源提供 3 V 至 21 V 之間的電壓。

因此，PPS 簡(jiǎn)化了移動(dòng)設(shè)備中的開關(guān)轉(zhuǎn)換器電子元件，從而減少了熱損耗，并通過優(yōu)化功率匹配加快了充電速度。USB PD 3.1 定義了最大 240 W 的擴(kuò)展功率范圍 (EPR)，并使用可調(diào)電壓電源 (AVS) 在 15 V 至 48 V 之間的更高范圍內(nèi)調(diào)節(jié)總線電壓。

由于 3 A 電流已超過普通 USB 電纜的載流能力，因此必須按照 USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 的規(guī)定使用 EMCA 特種電纜。這些電纜的特點(diǎn)是導(dǎo)線橫截面更大和電纜絕緣層更厚。電纜插頭中的 E-Marker 芯片可通過 PD 協(xié)議確認(rèn)這些強(qiáng)經(jīng)過化的電纜功能。這樣，這些芯片就會(huì)影響源設(shè)備和接收設(shè)備之間的功率協(xié)商。

PD 通信使用特殊的 K 碼來描述信息。表示序列開始的特殊 K 碼序列稱為數(shù)據(jù)包起始碼 (SOP)。在特殊 K 碼中定義了三個(gè)序列：SOP、SOP'和 SOP''，這樣 DFP（如 PD 網(wǎng)絡(luò)充電適配器等電源）就可以作為啟動(dòng)器與 EMCA 電纜連接器中的兩個(gè) E-Marker 芯片中的任何一個(gè)進(jìn)行通信，也可以與 UFP（USB 電源插座）進(jìn)行通信。

圖 2 中的流程圖顯示了通過 EMCA 電纜連接的兩個(gè) PD 設(shè)備之間成功進(jìn)行功率協(xié)商期間的信息交換情況。

圖 2：兩個(gè) USB PD 設(shè)備通過 EMCA 電纜成功進(jìn)行電源協(xié)商。注：Rqt = 請(qǐng)求；Ack = 確認(rèn)。（圖片來源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供）

用配置取代程序

PD 協(xié)議復(fù)雜，給開發(fā)人員帶來了艱巨的編程工作。更快捷的方法是配置具有自定義功能的預(yù)編程 USB PD 控制器。這種控制器的的例子有 Onsemi 的 FUSB15101MNTWG。這是一款高度集成的 USB PD 3.1 控制器，可通過光耦合器控制 AC/DC 適配器的初級(jí)側(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器，或直接控制 DC/DC 端口電流調(diào)節(jié)器。

這種一體化解決方案通過優(yōu)化硬件外設(shè)最大限度地降低了電路復(fù)雜性，具體外設(shè)包括數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器、NTC 溫度傳感和 NMOS 柵極驅(qū)動(dòng)器。帶有應(yīng)用程序接口 (API) 的開源固件和基于 Eclipse 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 為編程工作帶來了便利。

FUSB15101 集成了帶有 UART 接口的高效 [Arm?]Cortex? M0+ 處理器，且支持 PPS 規(guī)范，可將輸出電壓調(diào)節(jié)為 3.3 V 至 21 V。該器件提供可編程恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調(diào)節(jié)功能，并可對(duì)電纜損耗進(jìn)行補(bǔ)償。此外，還具有過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)功能，以及在 USB-C 連接器引腳上配備了過壓保護(hù)二極管。PD 控制器支持向 EMCA 電纜中的 E-Marker 芯片提供 VCONN 電源，其空閑和睡眠模式符合合格證 (CoC) 和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 要求。

典型應(yīng)用：

• 符合 USB PD 標(biāo)準(zhǔn)的 AC/DC 適配器（見應(yīng)用 1）
• 符合 USB PD 標(biāo)準(zhǔn)的 DC/DC 端口（見應(yīng)用 2）

應(yīng)用 1：AC/DC 開關(guān)電源具有 USB PD 輸出

在此應(yīng)用中，F(xiàn)USB15101 USB PD 控制器通過光耦合器控制 AC/DC 開關(guān)電源初級(jí)側(cè)的 [NCP1345Q02D1R2G] 準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式開關(guān)穩(wěn)壓器。NCP1345 把變壓器輔助繞組提供的 9 V 至 38 V 電壓作為工作電壓，同時(shí)通過第二個(gè)輔助繞組產(chǎn)生四倍高的電壓，以便在 USB 輸出電壓低至 3.3 V 時(shí)為 MOSFET 提供足夠的開關(guān)電壓。在次級(jí)側(cè)，[NCP4307AASNT1G]控制器控制同步整流。將這三個(gè)集成電路組合在一起，就能產(chǎn)生一個(gè)在不同 PD 功率曲線下，效率始終保持在 90% 左右的“換檔”電源。

圖 3 顯示了基于三個(gè)集成電路的 USB-C PD 3.0 PPS 主充電器的主電路圖，其輸出功率為 65 W (20 V/3.25 A)。

圖 3：在這個(gè) USB PD 壁插式充電器解決方案中，F(xiàn)USB15101 通過光耦合器控制 AC/DC 開關(guān)電源初級(jí)側(cè)的 NCP1345 QR 反激式開關(guān)穩(wěn)壓器。（圖片來源：Onsemi）

編程人員可使用 onsemi 的 [NCP1342PD65WGEVB]評(píng)估板（如圖 4 所示）啟動(dòng)其 USB PD 電源應(yīng)用。

圖 4：使用 NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 壁插式充電器評(píng)估板，編程人員可以立即開始工作。（圖片來源：Onsemi）

該電路板的存儲(chǔ)扼流圈由緊湊的 RM8 變壓器組成，可提供 60 W (20 V/3 A) 的輸出功率。[NCP1342BMDCDD1R2G] 準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)穩(wěn)壓器僅靠一個(gè)輔助繞組提供的 9 V 至 28 V 的電壓工作。該器件適用于開發(fā)高性能離線電源轉(zhuǎn)換器和 USB PD 適配器，具有快速頻率折返 (RFF) 功能，這有助于在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)效率。集成的有源 X2 放電電容器消除了對(duì)放電電阻的需求，并能使空載功耗低于 40 mW。

應(yīng)用 2：用于 USB PD 端口的 DC/DC 電流控制器

在此應(yīng)用中，F(xiàn)USB15101 USB PD 控制器驅(qū)動(dòng) [NCV81599MWTXG] 四級(jí)降壓/升壓、升壓/降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制器。這樣，原本只能輸出 15 W 功率的 USB-C 端口就可擴(kuò)展為 PD 電源，提供超過 60 W 的功率并通過器件內(nèi)部的直流電源或電池供電（圖 5）。

圖 5：在該 DC/DC 端口電流控制器應(yīng)用中，F(xiàn)USB15101 直接控制四級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制器 NCV81599。（圖片來源：Onsemi）

通過使用 [FUSB3307MPX-PPS-GEVB]評(píng)估板，開發(fā)人員可以節(jié)省時(shí)間，立即開始使用 NCV81599 進(jìn)行測(cè)試和編程。此 DC/DC 電流調(diào)節(jié)器電路將 USB 端口轉(zhuǎn)換為 PD 3.0 PPS 電流源，同時(shí)在總線電壓為 3.3 V 至 21 V 時(shí)提供高達(dá) 5 A 電流輸出（圖 6）。該電路可檢測(cè) E-Marker 電纜，既能獨(dú)立運(yùn)行，也可連接測(cè)試設(shè)備。

圖 6：FUSB3307MPX-PPS-GEVB 是 NCV81599 的評(píng)估板，可將 USB 端口轉(zhuǎn)化為 PD 3.0 PPS 電源。（圖片來源：Onsemi）

DC 電源或電池向 FUSB3307 板的 VBAT 輸入提供 4.5 V 至 32 V 電壓。該電路可應(yīng)對(duì)恒壓 (CV) 或恒流 (CC) 規(guī)范，并具有過壓、欠壓、短路、過熱和電纜故障保護(hù)功能。

對(duì) FUSB15101 進(jìn)行編程

FUSB15010 [固件]是一款高度優(yōu)化型 Type-C PD 控制器驅(qū)動(dòng)器，支持集成的 Arm Cortex M0+ 處理器。該固件可靈活處理新的 PD 信息和額外的 Type-C 狀態(tài)流。以模塊化方式組織代碼，將應(yīng)用源代碼、硬件抽象層、平臺(tái)相關(guān)代碼和 USB Type-C PD 核心功能分離。

PD 核心功能可通過項(xiàng)目構(gòu)建選項(xiàng)或通過修改供應(yīng)商信息文件 "vif_info.h" 進(jìn)行配置。代碼庫包括一個(gè)可使用 IDE 編譯的 Eclipse 示例項(xiàng)目，從而加快了評(píng)估 Type-C PD 獨(dú)立控制器的啟動(dòng)速度。

表 1 概述了由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件；PDO 是電源交付對(duì)象。

| | 特性 | 支持的類型 | 固件 |
| ---------------------- | ---------------------- | ------------------------ |
| Type-C | 源 | 是 |
| PD | 提供者 | 是 |
| 公布的 PDO | PDO 類型 | 描述 |
| PDO 1 | 恒定 | 5 V / 3 A |
| PDO 2 | 恒定 | 9 V / 3 A |
| PDO 3 | 恒定 | 12 V / 3 A |
| PDO 4 | 恒定 | 15 V / 3 A |
| PDO 5 | 恒定 | 20 V / 3.25 A |
| PDO 6 | 增強(qiáng)型 | 3.3 V 至 21 V / 3.25 A |

表 1：所示為由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件。（表格來源：Onsemi）

如前所述，充電配置文件的參數(shù)可以在 "vif_info.h "文件中輕松修改。以下代碼顯示了如何將 PDO 4 中的最大電流從 20 V/3 A 改為 20 V/3.25 A：

當(dāng)前的 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 300 // 3.00 A

新 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3.25 A

有關(guān)安裝 IDE 以及固件導(dǎo)入和編譯二進(jìn)制文件的更多詳情和說明，請(qǐng)參閱 FUSB15101EVBSPG 指南。

UM70086-D 用戶手冊(cè)介紹了編程工具的安裝和一次性閃存的操作步驟。[Segger Microcontroller Systems] 的 [8.08.91 J-LINK EDU MINI] 是一款合適的 Arm Cortex-M 編程和調(diào)試適配器，可促進(jìn)開發(fā)工作。

檢查 PD 通信

要驗(yàn)證兩個(gè) USB PD 設(shè)備之間的通信，開發(fā)人員可以使用 [Infineon Technologies]的 [CY4500] 協(xié)議分析儀，該分析儀支持 USB PD 3.0 和 USB-C 規(guī)范。該分析儀可執(zhí)行非侵入式測(cè)試，并準(zhǔn)確捕捉 CC 線路上的協(xié)議信息。相關(guān)的 EZ-PD 分析軟件詳細(xì)列出了兩個(gè) USB PD 設(shè)備和一條 EMCA 電纜之間所有的對(duì)話信息（圖 7）。

圖 7：EZ-PD 分析軟件通過 CC 線路跟蹤兩個(gè) USB PD 設(shè)備之間的對(duì)話。（圖片來源： Infineon Technologies）

結(jié)束語

對(duì)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)以滿足終端用戶設(shè)備日益增長(zhǎng)的電源需求來說，雖然了解 USB PD 協(xié)議的基本原理非常重要，但這是一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議，可能需要大量的編程工作。為了節(jié)省時(shí)間，開發(fā)人員可以使用預(yù)編程、高度集成的 USB PD 控制器，將 USB-C 的 15 W 功率提升到 100 W 以上。AC/DC USB 充電器以及 DC/DC USB 端口只需配置 PD 控制器，即可增強(qiáng)定制 PD 功能。利用評(píng)估板和 PD 協(xié)議分析儀可促進(jìn)開發(fā)過程。