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[導讀]過去幾年，帶電源傳輸 (PD) 標準的 USB Type-C? 已廣泛應用于各種電子產(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。

過去幾年，帶電源傳輸 (PD) 標準的 USB Type-C® 已廣泛應用于各種電子產(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。

如表 1所示，最新版本的 USB PD 3.1 將 USB 的功率能力擴展至 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。這使得各種新應用現(xiàn)在都可以通過 USB 供電。為了減少電子垃圾，歐盟和印度已開始通過立法，要求在 2025 年將個人電子產(chǎn)品強制使用 USB Type-C，預計這一趨勢可能會擴展到其他應用，如電動工具、智能揚聲器、吸塵器、電動自行車充電器和網(wǎng)絡。這些趨勢和法規(guī)迫使制造商尋找簡單而廉價的方法，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 電源標準，其中最新的 USB PD 3.1 版本將 USB 的功率能力擴展至 240 W。

在此電源技巧中，我們將討論系統(tǒng)電源注意事項，并演示如何快速輕松地實現(xiàn) USB-C 連接器和電源管理電路，以根據(jù)您的設計的電源要求協(xié)商適當?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：只能吸收電力的設備、只能提供電力的設備或允許雙向電力流的設備(雙重角色電力)。在本文中，我們將重點介紹僅吸收電力的應用。

在使用 USB PD 的接收設備接受來自 USB PD 電源的電力之前，受電設備和電源之間必須進行一些握手和協(xié)商。這是因為 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，您不會想將 48 V 施加到僅設計為使用 15 V 輸入源工作的接收設備上。在 USB PD 接收應用中，需要一個稱為端口控制器的專用設備來執(zhí)行此電源合同協(xié)商并提供過流和過壓等保護。以前，添加配置了適當功能的 USB PD 端口控制器需要深入了解 USB 認證并投入大量的固件開發(fā)工作。為了簡化電源架構并降低設計復雜性，預編程 USB PD 控制器允許設計人員通過簡單的電阻分壓器設置來配置最大和最小電壓和電流吸收能力，如圖所示表 2.這樣就無需外部電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM)、MCU 或任何類型的固件開發(fā)。

表 2預編程 USB PD 控制器的 ADCIN 引腳，允許設計人員通過簡單的電阻分壓器設置來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)。

當電壓低于 20 V 時，USB Type-C 電纜的可用電流限制為 3 A，當電壓高于 20 V 時，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，因為 45 W 除以 3 A 等于 15 V。

如果您的系統(tǒng)設計為使用 15 V 電源運行，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運行系統(tǒng)，并且您需要確保您的系統(tǒng)設計為能夠處理這種稍高的輸入電壓。這可能需要您對產(chǎn)品進行輕微修改，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 電源時能夠正常工作，但性能水平可能會降低。

設計示例

假設有一款產(chǎn)品需要為 4S-7S 電池充電，充電功率為 27 W，之前通過 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，因為電池電壓可能高于或低于 15 V 輸入，具體取決于充電狀態(tài)。將此設計轉(zhuǎn)換為 USB PD 輸入僅需要一個簡單的獨立 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。您可以看到，只需幾個組件即可將管形插孔轉(zhuǎn)換為 USB PD 端口。連接到 ADCIN1 至 ADCIN4 引腳的簡單電阻器設置電源配置文件，而無需任何固件開發(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，工作電流設置為 3 A。

圖 1 27W USB PD 僅接收器充電器參考設計框圖。

輸入電壓動態(tài)電源管理

除了支持 USB PD 源輸入外，設計還應支持傳統(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輸入電壓崩潰，BQ25756E提供了輸入電壓動態(tài)電源管理功能，當輸入電壓降至參數(shù) Vin_dpm 設定的值時，該功能將降低充電電流。Vin_dpm 應設置為略低于輸入電壓減去通過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，同時不會使輸入源過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 電源充電的實驗結果。將 Vin_dpm 設置為 4.75 V 時，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間。