如何從老式USB供電升級(jí)到 USB Type-C PD

過(guò)去幾年，帶電源傳輸 (PD) 標(biāo)準(zhǔn)的 USB Type-C® 已廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。這種采用得益于統(tǒng)一端口(減少電子垃圾)、可逆連接器的便利性和高功率能力等優(yōu)勢(shì)。

如表 1所示，最新版本的 USB PD 3.1 將 USB 的功率能力擴(kuò)展至 240 W，比之前的 USB PD 3.0 規(guī)范的 100 W 可用功率增加了一倍以上。這使得各種新應(yīng)用現(xiàn)在都可以通過(guò) USB 供電。為了減少電子垃圾，歐盟和印度已開(kāi)始通過(guò)立法，要求在 2025 年將個(gè)人電子產(chǎn)品強(qiáng)制使用 USB Type-C，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)可能會(huì)擴(kuò)展到其他應(yīng)用，如電動(dòng)工具、智能揚(yáng)聲器、吸塵器、電動(dòng)自行車充電器和網(wǎng)絡(luò)。這些趨勢(shì)和法規(guī)迫使制造商尋找簡(jiǎn)單而廉價(jià)的方法，將其產(chǎn)品上的電源連接器從筒形插孔轉(zhuǎn)換為 USB-C 連接器。

表 1 USB 電源標(biāo)準(zhǔn)，其中最新的 USB PD 3.1 版本將 USB 的功率能力擴(kuò)展至 240 W。

在此電源技巧中，我們將討論系統(tǒng)電源注意事項(xiàng)，并演示如何快速輕松地實(shí)現(xiàn) USB-C 連接器和電源管理電路，以根據(jù)您的設(shè)計(jì)的電源要求協(xié)商適當(dāng)?shù)?USB PD 合同。

USB PD 功率流

還值得注意的是，USB PD 生態(tài)系統(tǒng)中有三種類型的電力流：只能吸收電力的設(shè)備、只能提供電力的設(shè)備或允許雙向電力流的設(shè)備(雙重角色電力)。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹僅吸收電力的應(yīng)用。

在使用 USB PD 的接收設(shè)備接受來(lái)自 USB PD 電源的電力之前，受電設(shè)備和電源之間必須進(jìn)行一些握手和協(xié)商。這是因?yàn)?USB PD 電源總線上的電壓可以從 5 V 到 48 V 變化，具體取決于電源的功率能力。顯然，您不會(huì)想將 48 V 施加到僅設(shè)計(jì)為使用 15 V 輸入源工作的接收設(shè)備上。在 USB PD 接收應(yīng)用中，需要一個(gè)稱為端口控制器的專用設(shè)備來(lái)執(zhí)行此電源合同協(xié)商并提供過(guò)流和過(guò)壓等保護(hù)。以前，添加配置了適當(dāng)功能的 USB PD 端口控制器需要深入了解 USB 認(rèn)證并投入大量的固件開(kāi)發(fā)工作。為了簡(jiǎn)化電源架構(gòu)并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，預(yù)編程 USB PD 控制器允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓器設(shè)置來(lái)配置最大和最小電壓和電流吸收能力，如圖所示表 2.這樣就無(wú)需外部電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)、MCU 或任何類型的固件開(kāi)發(fā)。

表 2預(yù)編程 USB PD 控制器的 ADCIN 引腳，允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓器設(shè)置來(lái)配置最大和最小電壓以及電流吸收能力。

談判電力合同并匹配系統(tǒng)電力需求

在將您的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為 USB PD 之前，了解 USB PD 生態(tài)系統(tǒng)的限制和要求非常重要。在電纜的源端，USB PD 電源將為您的系統(tǒng)供電，但使用您產(chǎn)品的人可以連接任何 USB PD 適配器或其他電源。您需要考慮需要什么樣的電源合同才能為您的系統(tǒng)提供全部電力。此外，請(qǐng)考慮如果該適配器提供的電力不足，您的系統(tǒng)將如何表現(xiàn)。

當(dāng)電壓低于 20 V 時(shí)，USB Type-C 電纜的可用電流限制為 3 A，當(dāng)電壓高于 20 V 時(shí)，電流限制為 5 A。此外，USB PD 電源只需產(chǎn)生在允許的最大電纜電流下提供額定功率所需的最小電壓即可。例如，45 W 適配器通常提供 15 V 的最大輸出電壓，因?yàn)?45 W 除以 3 A 等于 15 V。

如果您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使用 15 V 電源運(yùn)行，但需要 50 W 功率，該怎么辦?在這種情況下，您需要配置端口控制器以接受更高的電壓合同(例如 20 V)，以確保您有足夠的功率來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)，并且您需要確保您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠處理這種稍高的輸入電壓。這可能需要您對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輕微修改，而不僅僅是添加 USB Type-C 連接器和端口控制器。此外，通常您仍然希望您的產(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，但性能水平可能會(huì)降低。

設(shè)計(jì)示例

假設(shè)有一款產(chǎn)品需要為 4S-7S 電池充電，充電功率為 27 W，之前通過(guò) 15 V 筒式插孔供電。在此示例中，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?15 V 輸入，具體取決于充電狀態(tài)。將此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 USB PD 輸入僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立 USB PD 控制器(如TPS25730)和降壓-升壓電池充電器。圖 1顯示了系統(tǒng)架構(gòu)。您可以看到，只需幾個(gè)組件即可將管形插孔轉(zhuǎn)換為 USB PD 端口。連接到 ADCIN1 至 ADCIN4 引腳的簡(jiǎn)單電阻器設(shè)置電源配置文件，而無(wú)需任何固件開(kāi)發(fā)。在這種情況下，即使可用功率降低，產(chǎn)品仍必須從 5 V 電源充電，因此 TPS25730 配置為 20 V 最大電壓和 5 V 最小電壓，工作電流設(shè)置為 3 A。

圖 1 27W USB PD 僅接收器充電器參考設(shè)計(jì)框圖。

輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理

除了支持 USB PD 源輸入外，設(shè)計(jì)還應(yīng)支持傳統(tǒng)的 USB 輸入源，例如 5 V 和 2 A。為了避免在輸入功率受限時(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)定的值時(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(guò)電纜和電源路徑的電壓降，以便它可以最大化電池充電電流，同時(shí)不會(huì)使輸入源過(guò)載或在輸入總線上造成不穩(wěn)定。

圖 2顯示了使用 1 米 USB 電纜(0.25 Ω 電阻)從 5 V、2 A 電源充電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將 Vin_dpm 設(shè)置為 4.75 V 時(shí)，可以看到輸入充電電流有限且不穩(wěn)定(圖 2 左側(cè))。正確配置后，將 Vin_dpm 設(shè)置為 4.35 V 以考慮電阻壓降，輸入電壓穩(wěn)定，充電電流增加 50%，這將顯著縮短充電時(shí)間。

圖 2使用 1 米 USB 電纜通過(guò) 5 V、2 A 電源充電時(shí)的輸入動(dòng)態(tài)電源管理。

實(shí)現(xiàn) USB PD

借助簡(jiǎn)化的 USB PD 控制器和電池充電器架構(gòu)，您無(wú)需深入了解 USB PD。您不僅可以省去額外的 MCU 和 EEPROM 的麻煩(并且無(wú)需進(jìn)行固件開(kāi)發(fā))，還可以使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器來(lái)配置電壓和電流吸收能力，并快速將桶形插孔轉(zhuǎn)換為 USB Type-C 輸入。