如何實現(xiàn)USB Type-C與USB PD的電力快速輸送的設(shè)計

USB已經(jīng)從一個能夠提供有限功率的數(shù)據(jù)接口演變?yōu)榫哂懈咚贁?shù)據(jù)接口的主電源。 USB Type-C?和USB Power Delivery（PD）2.0（以及迫在眉睫的3.0版本）加速了這種發(fā)展。但是，需要注意為應(yīng)用選擇最具成本效益的解決方案，因為USB Type-C和USB PD提供多個功率級別。

例如，USB Type-C單獨可支持高達5伏的電壓在3安培（15 W）時，帶有USB PD的USB Type-C允許生態(tài)系統(tǒng)在5安培（100 W）下支持多達20伏的功率水平。缺點是USB PD增加了設(shè)計復(fù)雜性和材料清單（BOM）的成本。

幸運的是，通過使用一系列最近推出的組件，設(shè)計人員可以利用新的功能，如可逆功率傳輸，電源協(xié)商和100瓦功率傳輸設(shè)計USB電源，可以安全，快速地為設(shè)備（甚至便攜式計算機）充電。

本文試圖通過USB Type-C和USB PD解釋了設(shè)計人員如何在許多應(yīng)用中使用USB Type-C以及何時應(yīng)該遷移到USB PD以用于更高功率的應(yīng)用。然后，本文將提供有關(guān)如何實現(xiàn)實用的USB Type-C和USB PD設(shè)計的指導(dǎo)。

USB變得更加專注

展示一定程度的遠見，USB的原始設(shè)計者接口決定它應(yīng)該攜帶數(shù)據(jù)和電源，允許低功耗外設(shè)從主機獲取電源。如今，數(shù)十億的電子設(shè)備采用USB連接，而且該技術(shù)遠遠超出了原先預(yù)期的計算機外圍設(shè)備范圍。

這種顯著增長的不利因素是連接器數(shù)量增加帶來的復(fù)雜性增加類型，帶寬和功率電平范圍從最初的5伏特，100毫安到20伏特，5安培。

幸運的是，事情變得更加集中，新設(shè)計傾向于選擇高度靈活的USB Type-C規(guī)范1.0,2.0,3.0或3.1通信協(xié)議;如果需要更高的功率，USB PD 2.0/3.0電源協(xié)議。本文將考慮采用這些技術(shù)的設(shè)計。

USB Type-C和電池充電1.1和1.2

USB Type-C規(guī)范1.0于2014年底推出，以滿足對緊湊型可逆插頭連接器適用于主機和外圍設(shè)備（圖1）。這種未來的打樣擴展到包含一個24針連接器，提供四個+5 V＆amp;接地對，USB 2.0數(shù)據(jù)總線的兩個差分對，SuperSpeed數(shù)據(jù)總線的四對，兩個邊帶使用引腳，有源電纜的VCONN + 5V電源，以及本文適用的通道配置（CC）引腳電纜定向檢測和連接管理。特定應(yīng)用中使用的引腳取決于所使用的通信協(xié)議和功率傳輸要求。

圖1：USB Type-C連接器引腳。 CC1和CC2用于USB Type-C電纜連接的發(fā)現(xiàn)，配置和管理。請注意引腳布局如何允許可逆性。 （圖片來源：STMicroelectronics）

隨著便攜式設(shè)備的激增，很明顯原始版本的USB提供的500 mW不足以為未來的便攜式設(shè)備供電（和充電）。因此，USB 2.0引入了500 mA的最大電流（將功率增加到2.5 W），而USB 3.0則將電流推高到900 mA（4.5 W）。

另一方面，智能手機的容量不斷增長和平板電腦，以及USB越來越多地用于充電的事實，觸發(fā)了專用電池充電協(xié)議的發(fā)布。 USB電池充電（BC）1.1，隨后是1.2，是2010年USB 2.0的工程變更。

USB BC的聰明之處在于它認識到電池充電是USB的重要應(yīng)用。例如，以前，沒有辦法為關(guān)閉的外圍設(shè)備的電池充電。此外，即使設(shè)備已上電，如果USB端口在指定時間內(nèi)沒有從外設(shè)接收數(shù)據(jù)，也可以將其設(shè)置為“暫?！蹦Ｊ?，允許的最大電流僅為2.5 mA，也是

USB BC規(guī)范概述了三種不同類型的USB端口：標(biāo)準下行端口（SDP）;專用充電端口（DCP）;和充電下游端口（CDP）（圖2）。

圖2：USB電池充電（BC）規(guī)范定義了三種端口類型，標(biāo)準下行端口（SDP），專用充電端口（DCP） ）和充電下游端口（CDP）。 （圖像源：Maxim Integrated）

SDP在D +和D-線上都有15kΩ下拉電阻。 “懸空”時的電流限制為2.5 mA，連接時為100 mA，連接時為500 mA，配置為“更高功率”（由USB 2.0規(guī)范定義）。顧名思義，DCP無法支持任何數(shù)據(jù)傳輸，但可以為7.5瓦的功率輸出提供高達1.5安培的電流。在這種配置中，D +和D-線短路。 CDP允許高電流充電和數(shù)據(jù)傳輸，完全符合USB 2.0。該端口具有D +和D-通信所需的15kΩ下拉電阻，以及在充電器檢測階段切換的內(nèi)部電路。該內(nèi)部電路允許便攜式設(shè)備區(qū)分CDP與其他端口類型。

所有便攜式設(shè)備需要做的是識別DCP在D +或D-上設(shè)置電壓并觀察另一條線路電壓，從而確定線路短路。

增加電源

USB BC 1.1在將USB擴展到電池充電方面做得很好，1.2版增加輸出到5安培（25 W）時最大5伏 - 足以充電一小時左右的典型智能手機。但設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是將其擴展到具有更大電池的產(chǎn)品，例如平板電腦和便攜式計算機。

為了滿足這一需求，USB實施者論壇（USB-IF）推出了USB供電（PD）1.0引入該標(biāo)準的關(guān)鍵驅(qū)動因素是通過提供可互操作的充電標(biāo)準來減少電子垃圾，該標(biāo)準允許制造商提供一種能夠為一套便攜式設(shè)備供電的充電器。

關(guān)鍵特性USB PD 1.0包括最大20伏特，5安培（100瓦）（受國際安全要求限制）;兼容現(xiàn)有USB 2.0/3.0電纜和高達7.5瓦的連接器（否則需要升級電纜）;與USB BC 1.2共存。

雖然USB PD 1.0能夠提供高達100瓦的功率，但它還提供了其他幾種“電源配置文件”;但這些在很大程度上被制造商所忽視，并在USB PD 2.0中被刪除并作為USB 3.1的一部分被采用?，F(xiàn)在USB PD“電源規(guī)則”取代了電源配置文件，定義了5伏，9伏，15伏和20伏的四個電壓等級。電源可以支持0.5到100瓦的任何最大源輸出功率，而不是六個固定電平。提供超過15瓦的電源提供5伏和9伏的電壓，提供超過27瓦的電源提供5,9和15伏的電壓，提供超過45瓦的電源提供5,9,15和20伏的電壓。

< p>電流可以連續(xù)變化（最高5 A），具體取決于所需的功率水平。此外，在任何給定的功率水平下，都需要一個源來支持所有較低的電壓和功率水平，以確保更高功率的電源可以支持更低功率的設(shè)備（圖3）。

圖3：USB PD 3.0提供4個電壓電平（5,9,15和20 V）和最高5安培的電流，可實現(xiàn)高達100瓦的功率輸出。 （圖片來源：德州儀器）

USB PD 3.0引入了一些改進，以增強系統(tǒng)的功率傳輸和穩(wěn)健性，但未對Power Rules進行任何更改。 USB PD 2.0和3.0完全可互操作且向后兼容（表1）。

規(guī)格最大電壓最大電流最大功率USB 2.0 5 V 500 mA 2.5 W USB 3.0和USB 3.1 5 V 900 mA 4.5 W USB BC 1.2 5 V 1.5 A 7.5 W USB Type-C 1.2 5 V 3 A 15 W USB PD 3.0 20 V 5 A 100 W

表1：隨著電池充電（BC），Type-C的推出，最大USB電流增加和電力傳輸（PD）規(guī)范。 （圖片來源：德州儀器）

對于設(shè)計人員而言，USB PD規(guī)范的其他值得注意的方面是主機和外設(shè)能夠使用VBUS引腳“協(xié)商”電壓和電流水平（即不依賴數(shù)據(jù)線）以及向任一方向提供電源的能力無需借助連接器切換。例如，該能力允許連接到主電源的顯示器用于給筆記本電腦充電，同時從便攜式計算機呈現(xiàn)信息。最后，各個設(shè)備隨時協(xié)商所需功率的能力可提高系統(tǒng)效率。

USB供電設(shè)計

考慮采用基于USB的設(shè)計時在技術(shù)的大部分電源供應(yīng)能力方面，值得花一點時間了解它如何處理數(shù)據(jù)和電力傳輸。這已經(jīng)從最初的實施方式發(fā)生了很大的變化，即PC為外圍設(shè)備供電并且數(shù)據(jù)雙向交換。

在今天的實施中，下游端口（DFP）發(fā)送數(shù)據(jù)，可以獲得VBUS電源并且是通常是主機或集線器;上游端口（UFP）接收數(shù)據(jù)，吸收（消耗）VBUS電源并連接到主機（例如，顯示器）;并且雙角色數(shù)據(jù)（DRD）端口可以充當(dāng)DFP或UFP。對于DRD，端口的作用取決于它在啟動時是作為電源（DFP）還是接收器（UFP），但如果需要，可以在操作期間動態(tài)更改其功能。 DRD端口通常用于智能手機或平板電腦。

在考慮功率流時，端口還可以采用雙角色功率（DRP）配置。例如，便攜式計算機可以具有用于為其電池充電的DRP端口，但是稍后可以用于為諸如硬盤驅(qū)動器的外部設(shè)備供電。對于設(shè)計者來說生活變得有點復(fù)雜，因為有DRP的子類，即采購設(shè)備和下沉主機。采購設(shè)備可以提供電力，但無法充當(dāng)DFP廣告管理系統(tǒng)。同樣，下沉設(shè)備可以接收電源，但不能充當(dāng)UFP。

雖然其他USB連接器仍然很受歡迎，但許多新設(shè)計往往傾向于Type-C，因為它具有長期優(yōu)勢提供。同樣，新設(shè)計通常使用USB 2.0或3.0。

沒有USB PD的USB Type-C（1.2）在3安培（15 W）時提供5伏的健康最大值，因此適用于寬屏不增加USB PD復(fù)雜性的應(yīng)用范圍。例如，15瓦足以在30分鐘內(nèi)為智能手機電池充電，或者在2.5小時內(nèi)為平板電腦充電。還提供5伏，1.5安培（7.5 W）版本。

USB Type-C在CC1和CC2引腳上采用上拉電阻（用于DFP）和下拉電阻（UFP） 。上拉電阻（Rp）決定DFP的當(dāng)前供應(yīng)容量。 UFP上的固定值下拉電阻（Rd）與Rp形成分壓器。通過檢測分壓器中心抽頭的電壓，UFP可以檢測到DFP的廣告電流（圖4）。

圖4：DFP和UFP監(jiān)視器上的上拉和下拉電阻用于連接和方向，而UFP上的電阻也可以檢測到DFP公布的當(dāng)前廣告。 （圖片來源：德州儀器）

如果兩個端口都支持DRP，則連接的結(jié)果可能會受到兩個可選功能的影響：“Try.SRC”（將端口設(shè)置為DFP）和“Try.SNK”（UFP）。根據(jù)應(yīng)用，這些設(shè)置可能非常重要。例如，智能手機開始為便攜式計算機充電是沒有意義的。

德州儀器的TUSB320芯片是USB Type-C USB 2.0實現(xiàn)的良好基礎(chǔ)。它也是將傳統(tǒng)連接器USB 2.0設(shè)計更改為USB Type-C升級的快速方法。使用TI芯片的DFP實現(xiàn)如圖5所示.ID信號表示端口配置為DRP時的標(biāo)準移動實現(xiàn)。雖然DFP廣告管理系統(tǒng)并不是絕對必要的，但它可以方便地控制電源開關(guān)（FET）。

圖6顯示了使用相同芯片的UFP實現(xiàn)。該芯片可以使用GPIO或（可選）I 2 C輸入進行配置，并允許其他設(shè)計人員友好的功能。

圖5

圖6

圖5＆amp; 6：使用TI TUSB320芯片的USB Type-C USB 2.0 DFP（圖5）和UFP實現(xiàn)（圖6）。 （使用Digi-Key Scheme-it?從德州儀器的原始源圖像繪制的圖表）

添加USB PD

需要比標(biāo)準USB Type-C端口提供更多功率以便為其電池充電的產(chǎn)品（例如便攜式計算機）將需要USB PD的資源。該技術(shù)允許外設(shè)通過USB電纜協(xié)商比USB 2.0/3.0/3.1規(guī)范中定義的更高電流和/或更高或更低的電壓。通過USB Type-C CC線進行通信。不利的一面是，USB PD增加了設(shè)計的復(fù)雜性和成本，因此只有在嚴格要求超過USB Type-C 5伏3安培電源支持時才能指定。

特別是USB與上述USB Type-C USB 2.0實現(xiàn)相比，PD需要四個新元件。此外，必須使用更強大的FET升級VBUS電源開關(guān)，使其能夠處理高達20伏和5安培的電壓。

更高功率的FET需要柵極驅(qū)動器。一些設(shè)計人員更喜歡使用集成高功率FET的柵極驅(qū)動器，然后可以驅(qū)動更高功率的外部FET。但是，由于USB Type-C連接器的引腳密度高于傳統(tǒng)USB設(shè)備，因此將VBUS短接到相鄰引腳的風(fēng)險更高。當(dāng)系統(tǒng)承載USB PD的更高電壓和電流時，這是一個更加嚴重的危險。

因此，添加短路保護以避免災(zāi)難性故障是一種很好的設(shè)計實踐。一些芯片供應(yīng)商為此任務(wù)提供單芯片解決方案，以節(jié)省設(shè)計保護電路所需的時間。

PD PHY和PD管理器

也許是設(shè)計時最重要的補充結(jié)合USB PD是PD PHY和PD管理器。這些設(shè)備一起管理DFP和UFP之間的CC線路上的通信。通過此通信，DFP廣告管理系統(tǒng)可宣傳其可支持的功率級別，然后允許UFP請求支持的功率級別以滿足其需求。一旦達成功率水平，就會調(diào)整電壓和電流水平。圖7顯示了使USB Type-C USB 2.0設(shè)計能夠進行USB PD操作所需的升級和添加元素。

圖7：USB Type-C USB 2.0實現(xiàn)需要額外的突出顯示元素（藍色塊）才能使其能夠進行USB PD操作。 （圖像來源：德州儀器公司）

PD管理器和PD PHY執(zhí)行不同的任務(wù)：PD PHY驅(qū)動跨越CC線路的通信，但它本身就是一個“啞”設(shè)備。相比之下，PD管理器是一個“智能”設(shè)備，由支持PD協(xié)商的復(fù)雜狀態(tài)機組成，并通過指示PD PHY執(zhí)行廣告，請求和確認功率級別等功能來驅(qū)動PD PHY。這些功能的細微差別很復(fù)雜，超出了本文的范圍?？梢哉fUSB PD實現(xiàn)總是需要PD管理器和PD PHY。

硅供應(yīng)商提供將PD管理器和PD PHY分開的解決方案，或者將這兩種功能組合到單個芯片上。例如，TI提供TPS25740，這是一種源控制器，包括用于VBUS電源開關(guān)，CC邏輯，USB PD管理器和PD PHY的柵極驅(qū)動器。該芯片符合USB PD 2.0標(biāo)準，因此可提供5,12和20伏的電壓，以及15至100瓦的功率輸出。

TPS25740是DFP廣告管理系統(tǒng)解決方案的合適基礎(chǔ)。它會自動處理VBUS輸出的放電。保護功能包括過壓，過流，過溫和系統(tǒng)覆蓋，以禁用柵極驅(qū)動器。

TI TPS65982采用更高的集成度。除了集成USB PD管理器和USB PD PHY外，該芯片還可控制外部大電流電源開關(guān)，并將高速數(shù)據(jù)多路復(fù)用到USB 2.0和備用模式邊帶信息的端口。 CC引腳上的混合信號前端通告默認值為1.5或3安培的USB Type-C電源，檢測到插頭事件并確定USB Type-C電纜方向，并自動協(xié)商USB PD功率電平。 TPS65982可以作為DFP，UFP或DRP運行。

同樣高度集成的解決方案來自賽普拉斯半導(dǎo)體及其CYPD2103 EZ-PD CCG2端口控制器。該芯片采用ARM M0處理器和32 KB閃存，不僅提供USB PD管理器和PD PHY，還集成了USB Type-C端口控制器和終端電阻。該芯片可采用2.7至5.5伏電源供電，可與無源電纜，有源電纜和電源配件一起使用。

與TI的TPS65982一樣，CYPD2103可設(shè)計為DFP，UFP和DRP拓撲結(jié)構(gòu)。也可以使用CY4541評估套件對筆記本電腦的USB Type-C DRP應(yīng)用進行修改和配置。圖8顯示了與EVK一起提供的CCG2/3/4控制器的USB Type-C和USB PD規(guī)范兼容固件堆棧以及應(yīng)用程序固件。

圖8：賽普拉斯半導(dǎo)體的CY4541評估套件包括USB Type-C和USB PD兼容固件堆棧。 （資料來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司。）

結(jié)論

與其作為提供逐漸增加的帶寬的數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展同步，USB技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到滿足更多功率處理能力的需求。

特別是USB Type-C具有可逆連接器和更大的靈活性，以及USB PD電源協(xié)議，可提供功率級別，以滿足未來便攜式設(shè)備的需求。對于需要高功率輸入以減少充電時間的產(chǎn)品，開發(fā)人員可以使用此功能。

帶USB 2.0的USB Type-C最大功率為15瓦，帶寬為480 Mbit/秒。它適用于廣泛的應(yīng)用，實施起來相對簡單，并最大限度地降低了組件成本。對于更高功率的應(yīng)用，可以將USB PD添加到新設(shè)計或現(xiàn)有設(shè)計中，將最大功率提升至100瓦。使用USB PD進行設(shè)計更為復(fù)雜，但可以通過將電源基于集成USB Type-C控制器與USB PD PHY/管理芯片相結(jié)合來實現(xiàn)。請注意，供應(yīng)商還提供一系列專門用于幫助工程師加速設(shè)計過程的開發(fā)工具。