了解 USB-PD 3.2 規(guī)范

隨著技術的進步，各種設備、媒體格式和價格實惠的存儲都需要更大的帶寬來維持用戶已經(jīng)習慣的互動體驗。此外，用戶應用程序需要個人計算機和這些日益先進的外圍設備之間更高效、更快速的連接。USB-PD 3.2 規(guī)范滿足了這一要求，通過采用更快的傳輸速度來滿足現(xiàn)代應用程序和設備的需求。我們將深入探討新的可調電壓源 (AVS) 要求及其對電源(充電器)和接收器(設備)兩側電源系統(tǒng)的影響。

USB-PD 3.2 的主要更新

AVS 要求和腐蝕緩解是 USB-C 和 USB-PD 規(guī)范的主要更新。

在 USB-PD 3.2 中，AVS 對于某些功率輸出范圍(27-100 W)是必需的。此功能允許充電器調整電壓輸出以更好地滿足設備需求，從而大大提高充電效率。

此外，在最新更新中，USB-TYPEC 規(guī)范現(xiàn)在包括檢測和減輕液體進入連接器造成的損壞的指南。這兩項功能都對接收器和源系統(tǒng)有影響。

USB-PD 電源規(guī)則

在 USB-PD 3.2 之前，電源能夠提供的所需電壓取決于其額定功率。例如，額定功率低于 100 W 的電源可能只需要提供最高 20 V 的電壓，而電纜可能會將其限制在 20 V 或更低。此外，所需電流只是設備的額定功率除以提供的電壓。

圖 1 顯示了根據(jù) USB-PD 電源規(guī)則 R3.1，具有給定功率額定值的電源必須能夠提供的電壓。我們可以看到，對于低于 100 W 的功率，只需要四個電壓(5、9、15 和 20 V)。

所需電流可以通過將 PDP 額定值除以電壓等級來計算。即使電纜可能將電流限制為 3 A，也可以實現(xiàn) 5 A 的最大電流。

圖 1：USB-PD R3.1 的電壓與額定功率(來源：Waters，D.，2024 年)

USB-PD R3.2 引入了重大變化。雖然所需電流與 R3.1 相同，但標準功率范圍 (SPR) 現(xiàn)在需要 AVS。SPR 中有兩個 AVS 區(qū)域：

· 27 W ≤ PDP ≤ 45 W：電壓可在 9 V 至 15 V 之間以 100 mV 為步長進行調整。這意味著電壓選項比 R3.1 多 59 個。

· 45 W ≤ PDP ≤ 100 W：電壓可在 9 V 至 20 V 之間以 100 mV 為步長進行調整。這意味著電壓選項比 R3.1 多 108 個。

AVS 和 PPS

如果我們還考慮可編程電源 (PPS) 選項，如圖 2 所示，我們可以看到它現(xiàn)在從最低 5 V 開始(在之前的規(guī)范中，它是 3.3 V)，并且它具有與 AVS 不同的步驟(20 mV)。

圖 2：帶 PPS 的 USB-PD R3.2 的電壓與額定功率(來源：Waters，D.，2024 年)

需要注意的是，USB 充電器(電源)可能包含或不包含 PPS。USB-IF 組織認證帶有 PPS 的“快速充電器”和不帶有 PPS 的普通“充電器”。但是，如果 USB 充電器支持 PPS，則可以輕松添加 AVS。

如果有 PPS，一些充電產品將充電得更快。對于尚未實現(xiàn) PPS 的充電器來說，AVS 是一個很大的變化。

對源匯系統(tǒng)的影響

總而言之，額定功率在 27 W 和 100 W 之間的電源現(xiàn)在必須實施 AVS，這需要額外的硬件復雜性。對于尚不支持 PPS 的較簡單的充電器實施來說，這可能是一個重大變化。

對于多端口充電器，有不同的架構需要考慮(圖 4)：

· 保證容量：無論連接的設備是什么，設備都會在其所有端口上始終提供相同水平的電力。

· 共享容量：如果由于任何原因(例如另一個端口需要電源或增強熱管理)電源不可用，則 PD 控制器可以強制接收器降低其電源請求。

圖 4 顯示了多端口充電器的示例。此處，兩個端口上可用的總功率小于 60 W。共享算法由實施者決定。每個端口所需的最小功率為 7.5 W。

由于充電器上的充電端口經(jīng)常利用不足，共享容量充電器越來越受歡迎。利用當前正在使用的端口可以提供更多電量，從而增強用戶體驗。

在某些溫度設置下，例如車載 USB-C 充電，即使是具有保證容量的充電器也可能會偶爾減少可用電量。

圖 3：多端口充電器可用的策略(來源：Waters，D.，2024 年)

當然，如果有帶 AVS 的充電器，接收器(設備)也可以從更快的充電中受益。但是，它仍然必須設計為與不支持 AVS 的舊充電器配合使用。

某些源應用和接收器應用可能需要特定的 DC/DC 轉換器類型，具體取決于其電壓需求和功能要求。

USB-C 規(guī)定的容差允許電纜源端為 4.75 V。但由于 USB-C 在 VBUS 電流為 3° 時允許 0.75 V 的 IR 壓降，因此當標稱 VBUS = 5 V 時，接收器可能會看到低至 4.0 V。話雖如此，如果接收器需要的電壓低于 4.0 V，則需要降壓 DC/DC 轉換器。否則，可以使用降壓/升壓 DC/DC 轉換器(如果它提供一些附加功能，例如慢速充電，那就更好了)。

DC/DC 降壓和降壓/升壓轉換器也可用于供電應用，但最好使用降壓/升壓轉換器以獲得更好的熱性能和效率。

腐蝕

液體會腐蝕 USB 連接器，因此是造成故障或損壞的潛在原因。將電纜插頭浸入液體中并拔出，然后將電纜插頭插入插座，可能會損壞插座。

值得注意的是，從 USB-A 2.0 過渡到 USB-C，引腳間距減少了 6 倍，USB-C 的間距為 0.5 毫米。USB-C 規(guī)范現(xiàn)在包括識別和最大限度減少液體損壞影響的說明。

USB-PD 3.2 引入 AVS 為充電器和設備的電源系統(tǒng)設計帶來了優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。AVS 提供了一種通用行為，因為 AVS 允許設備針對特定電壓進行設計，因為 USB-PD 3.2 充電器可以提供該電壓以實現(xiàn)最佳充電效率。通過將電壓輸出與設備的需求相匹配，AVS 可以潛在地減少充電過程中的能量損失。

雖然 AVS 可以提高充電效率，但同時也增加了系統(tǒng)的復雜性。了解這些變化對于開發(fā)符合最新 USB-PD 規(guī)范的產品的工程師來說至關重要。