如何实现USB Type-C与USB PD的电力快速输送的设计

如何实现USB Type-C与USB PD的电力快速输送的设计

例如，USB Type-C单独可支持高达5伏的电压在3安培（15 W）时，带有USB PD的USB Type-C允许生态系统在5安培（100 W）下支持多达20伏的功率水平。缺点是USB PD增加了设计复杂性和材料清单（BOM）的成本。

幸运的是，通过使用一系列最近推出的组件，设计人员可以利用新的功能，如可逆功率传输，电源协商和100瓦功率传输设计USB电源，可以安全，快速地为设备（甚至便携式计算机）充电。

本文试图通过USB Type-C和USB PD解释了设计人员如何在许多应用中使用USB Type-C以及何时应该迁移到USB PD以用于更高功率的应用。然后，本文将提供有关如何实现实用的USB Type-C和USB PD设计的指导。

USB变得更加专注

展示一定程度的远见，USB的原始设计者接口决定它应该携带数据和电源，允许低功耗外设从主机获取电源。如今，数十亿的电子设备采用USB连接，而且该技术远远超出了原先预期的计算机外围设备范围。

这种显着增长的不利因素是连接器数量增加带来的复杂性增加类型，带宽和功率电平范围从最初的5伏特，100毫安到20伏特，5安培。

幸运的是，事情变得更加集中，新设计倾向于选择高度灵活的USB Type-C规范1.0,2.0,3.0或3.1通信协议;如果需要更高的功率，USB PD 2.0/3.0电源协议。本文将考虑采用这些技术的设计。

USB Type-C和电池充电1.1和1.2

图1：USB Type-C连接器引脚。 CC1和CC2用于USB Type-C电缆连接的发现，配置和管理。请注意引脚布局如何允许可逆性。 （图片来源：STMicroelectronics）

另一方面，智能手机的容量不断增长和平板电脑，以及USB越来越多地用于充电的事实，触发了专用电池充电协议的发布。 USB电池充电（BC）1.1，随后是1.2，是2010年USB 2.0的工程变更。

USB BC的聪明之处在于它认识到电池充电是USB的重要应用。例如，以前，没有办法为关闭的外围设备的电池充电。此外，即使设备已上电，如果USB端口在指定时间内没有从外设接收数据，也可以将其设置为“暂停”模式，允许的最大电流仅为2.5 mA，也是

SDP在D +和D-线上都有15kΩ下拉电阻。 “悬空”时的电流限制为2.5 mA，连接时为100 mA，连接时为500 mA，配置为“更高功率”（由USB 2.0规范定义）。顾名思义，DCP无法支持任何数据传输，但可以为7.5瓦的功率输出提供高达1.5安培的电流。在这种配置中，D +和D-线短路。 CDP允许高电流充电和数据传输，完全符合USB 2.0。该端口具有D +和D-通信所需的15kΩ下拉电阻，以及在充电器检测阶段切换的内部电路。该内部电路允许便携式设备区分CDP与其他端口类型。

所有便携式设备需要做的是识别DCP在D +或D-上设置电压并观察另一条线路电压，从而确定线路短路。

增加电源

USB BC 1.1在将USB扩展到电池充电方面做得很好，1.2版增加输出到5安培（25 W）时最大5伏 - 足以充电一小时左右的典型智能手机。但设计人员面临的挑战是将其扩展到具有更大电池的产品，例如平板电脑和便携式计算机。

关键特性USB PD 1.0包括最大20伏特，5安培（100瓦）（受国际安全要求限制）;兼容现有USB 2.0/3.0电缆和高达7.5瓦的连接器（否则需要升级电缆）;与USB BC 1.2共存。

虽然USB PD 1.0能够提供高达100瓦的功率，但它还提供了其他几种“电源配置文件”;但这些在很大程度上被制造商所忽视，并在USB PD 2.0中被删除并作为USB 3.1的一部分被采用。现在USB PD“电源规则”取代了电源配置文件，定义了5伏，9伏，15伏和20伏的四个电压等级。电源可以支持0.5到100瓦的任何最大源输出功率，而不是六个固定电平。提供超过15瓦的电源提供5伏和9伏的电压，提供超过27瓦的电源提供5,9和15伏的电压，提供超过45瓦的电源提供5,9,15和20伏的电压。

< p>电流可以连续变化（最高5 A），具体取决于所需的功率水平。此外，在任何给定的功率水平下，都需要一个源来支持所有较低的电压和功率水平，以确保更高功率的电源可以支持更低功率的设备（图3）。

USB PD 3.0引入了一些改进，以增强系统的功率传输和稳健性，但未对Power Rules进行任何更改。 USB PD 2.0和3.0完全可互操作且向后兼容（表1）。

规格最大电压最大电流最大功率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：随着电池充电（BC），Type-C的推出，最大USB电流增加和电力传输（PD）规范。 （图片来源：德州仪器）

对于设计人员而言，USB PD规范的其他值得注意的方面是主机和外设能够使用VBUS引脚“协商”电压和电流水平（即不依赖数据线）以及向任一方向提供电源的能力无需借助连接器切换。例如，该能力允许连接到主电源的显示器用于给笔记本电脑充电，同时从便携式计算机呈现信息。最后，各个设备随时协商所需功率的能力可提高系统效率。

USB供电设计

考虑采用基于USB的设计时在技术的大部分电源供应能力方面，值得花一点时间了解它如何处理数据和电力传输。这已经从最初的实施方式发生了很大的变化，即PC为外围设备供电并且数据双向交换。

在今天的实施中，下游端口（DFP）发送数据，可以获得VBUS电源并且是通常是主机或集线器;上游端口（UFP）接收数据，吸收（消耗）VBUS电源并连接到主机（例如，显示器）;并且双角色数据（DRD）端口可以充当DFP或UFP。对于DRD，端口的作用取决于它在启动时是作为电源（DFP）还是接收器（UFP），但如果需要，可以在操作期间动态更改其功能。 DRD端口通常用于智能手机或平板电脑。

在考虑功率流时，端口还可以采用双角色功率（DRP）配置。例如，便携式计算机可以具有用于为其电池充电的DRP端口，但是稍后可以用于为诸如硬盘驱动器的外部设备供电。对于设计者来说生活变得有点复杂，因为有DRP的子类，即采购设备和下沉主机。采购设备可以提供电力，但无法充当DFP广告管理系统。同样，下沉设备可以接收电源，但不能充当UFP。

虽然其他USB连接器仍然很受欢迎，但许多新设计往往倾向于Type-C，因为它具有长期优势提供。同样，新设计通常使用USB 2.0或3.0。

没有USB PD的USB Type-C（1.2）在3安培（15 W）时提供5伏的健康最大值，因此适用于宽屏不增加USB PD复杂性的应用范围。例如，15瓦足以在30分钟内为智能手机电池充电，或者在2.5小时内为平板电脑充电。还提供5伏，1.5安培（7.5 W）版本。

USB Type-C在CC1和CC2引脚上采用上拉电阻（用于DFP）和下拉电阻（UFP） 。上拉电阻（Rp）决定DFP的当前供应容量。 UFP上的固定值下拉电阻（Rd）与Rp形成分压器。通过检测分压器中心抽头的电压，UFP可以检测到DFP的广告电流（图4）。

图4：DFP和UFP监视器上的上拉和下拉电阻用于连接和方向，而UFP上的电阻也可以检测到DFP公布的当前广告。 （图片来源：德州仪器）

如果两个端口都支持DRP，则连接的结果可能会受到两个可选功能的影响：“Try.SRC”（将端口设置为DFP）和“Try.SNK”（UFP）。根据应用，这些设置可能非常重要。例如，智能手机开始为便携式计算机充电是没有意义的。

图6显示了使用相同芯片的UFP实现。该芯片可以使用GPIO或（可选）I 2 C输入进行配置，并允许其他设计人员友好的功能。

图5

图6

添加USB PD

需要比标准USB Type-C端口提供更多功率以便为其电池充电的产品（例如便携式计算机）将需要USB PD的资源。该技术允许外设通过USB电缆协商比USB 2.0/3.0/3.1规范中定义的更高电流和/或更高或更低的电压。通过USB Type-C CC线进行通信。不利的一面是，USB PD增加了设计的复杂性和成本，因此只有在严格要求超过USB Type-C 5伏3安培电源支持时才能指定。

特别是USB与上述USB Type-C USB 2.0实现相比，PD需要四个新元件。此外，必须使用更强大的FET升级VBUS电源开关，使其能够处理高达20伏和5安培的电压。

更高功率的FET需要栅极驱动器。一些设计人员更喜欢使用集成高功率FET的栅极驱动器，然后可以驱动更高功率的外部FET。但是，由于USB Type-C连接器的引脚密度高于传统USB设备，因此将VBUS短接到相邻引脚的风险更高。当系统承载USB PD的更高电压和电流时，这是一个更加严重的危险。

PD PHY和PD管理器

也许是设计时最重要的补充结合USB PD是PD PHY和PD管理器。这些设备一起管理DFP和UFP之间的CC线路上的通信。通过此通信，DFP广告管理系统可宣传其可支持的功率级别，然后允许UFP请求支持的功率级别以满足其需求。一旦达成功率水平，就会调整电压和电流水平。图7显示了使USB Type-C USB 2.0设计能够进行USB PD操作所需的升级和添加元素。

图7：USB Type-C USB 2.0实现需要额外的突出显示元素（蓝色块）才能使其能够进行USB PD操作。 （图像来源：德州仪器公司）

PD管理器和PD PHY执行不同的任务：PD PHY驱动跨越CC线路的通信，但它本身就是一个“哑”设备。相比之下，PD管理器是一个“智能”设备，由支持PD协商的复杂状态机组成，并通过指示PD PHY执行广告，请求和确认功率级别等功能来驱动PD PHY。这些功能的细微差别很复杂，超出了本文的范围。可以说USB PD实现总是需要PD管理器和PD PHY。

硅供应商提供将PD管理器和PD PHY分开的解决方案，或者将这两种功能组合到单个芯片上。例如，TI提供TPS25740，这是一种源控制器，包括用于VBUS电源开关，CC逻辑，USB PD管理器和PD PHY的栅极驱动器。该芯片符合USB PD 2.0标准，因此可提供5,12和20伏的电压，以及15至100瓦的功率输出。

TPS25740是DFP广告管理系统解决方案的合适基础。它会自动处理VBUS输出的放电。保护功能包括过压，过流，过温和系统覆盖，以禁用栅极驱动器。

TI TPS65982采用更高的集成度。除了集成USB PD管理器和USB PD PHY外，该芯片还可控制外部大电流电源开关，并将高速数据多路复用到USB 2.0和备用模式边带信息的端口。 CC引脚上的混合信号前端通告默认值为1.5或3安培的USB Type-C电源，检测到插头事件并确定USB Type-C电缆方向，并自动协商USB PD功率电平。 TPS65982可以作为DFP，UFP或DRP运行。

与TI的TPS65982一样，CYPD2103可设计为DFP，UFP和DRP拓扑结构。也可以使用CY4541评估套件对笔记本电脑的USB Type-C DRP应用进行修改和配置。图8显示了与EVK一起提供的CCG2/3/4控制器的USB Type-C和USB PD规范兼容固件堆栈以及应用程序固件。

结论

与其作为提供逐渐增加的带宽的数据通信技术的发展同步，USB技术已经发展到满足更多功率处理能力的需求。

特别是USB Type-C具有可逆连接器和更大的灵活性，以及USB PD电源协议，可提供功率级别，以满足未来便携式设备的需求。对于需要高功率输入以减少充电时间的产品，开发人员可以使用此功能。

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