USB Type-C和USB Power Delivery：專為擴展功率范圍和電池供電型系統(tǒng)而設(shè)計

USB Type-C? (USB-C?) 是一種業(yè)界通用連接器，支持通過單個接口傳輸數(shù)據(jù)和電力，適用于個人電子產(chǎn)品、汽車、工業(yè)和企業(yè)系統(tǒng)等應(yīng)用。USB Power Delivery (PD) 是使用 USB-C 連接器來增加 USB-C 接口功能和特性的標(biāo)準(zhǔn)。直到最近，USB PD 3.0 規(guī)范才允許高達 100W（20V、5A）的功率雙向流動，此功率范圍現(xiàn)在稱為標(biāo)準(zhǔn)功率范圍 (SPR)。最新的 USB PD 3.1 規(guī)范通過 USB-C 電纜將功率范圍增加至 240W（48V、5A），此功率范圍現(xiàn)在稱為擴展功率范圍 (EPR)。

表 1 展示了 EPR 與 SPR 的比較情況。

1. 需要 5A 電纜。

2. 需要 EPR 電纜。

EPR 可支持高達 240W 的功率（28V、36V 和 48V @ 5A）。EPR 模式對接收端評估和響應(yīng)新的電源端能力消息的要求與典型的 USB PD 合同協(xié)商中的要求相同。進入 EPR 模式后，端口開始協(xié)商一個最高達 240W（48V、5A）的電力輸送對象 (PDO)。在考慮設(shè)計安全裕度時，48V 限值代表了實際限值。

除了 EPR 模式下的固定電壓電平擴展之外，電源還必須遵循可調(diào)電壓電源 (AVS) 的規(guī)格。在 EPR 模式下，AVS 使接收端能夠以 100mV 的步長在 15V 和 48V 之間微調(diào)電壓，以提高性能和熱效率。AVS 還可讓接收端靈活接收來自任何充電器的電壓，從而避免使用定制適配器，并可在電子生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)提供一致的用戶體驗。

圖 1 顯示了可編程電源 (PPS) 和 AVS 范圍與 SPR 和 EPR 功率級別的關(guān)系相關(guān)的。雖然 PPS 和 AVS 都具有可編程步長，但它們并不相同且用于不同的用途。AVS 充當(dāng)恒壓電源，并向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓以提高效率。PPS 具有更小的步長窗口 (20mV)，并可以直接為電池充電，繞過連接的設(shè)備中的電池充電器。AVS 和 PPS 的主要區(qū)別在于：使用 PPS 時，協(xié)商的電壓將隨著時間的推移而不斷變化。隨著電池充電，所需的 PPS 充電電壓將增加。AVS 旨在用作恒定電源，其提供的系統(tǒng)輸入電壓電平更接近整個系統(tǒng)所需的電壓電平。

圖 1: 電源端所需的 USB PD 3.2 電壓

電池供電型產(chǎn)品和下一代解決方案

采用 USB-C 對 Bluetooth? 揚聲器和電動工具等便攜式電池供電型產(chǎn)品很有利。為這些類型的產(chǎn)品實施 USB-C 后，它們既可以通過 USB-C 端口充電，也可以使用同一端口為連接的設(shè)備供電。采用單節(jié)或多節(jié)電池充電器的產(chǎn)品現(xiàn)在可與 USB-C 或 USB PD 控制器搭配使用，從而使應(yīng)用能夠通過 USB-C 端口提供和接收電源。

圖 2 展示了過渡到 USB-C 和 USB PD 的設(shè)備的典型架構(gòu)。

圖 2: USB-C 電池供電型產(chǎn)品方框圖

為幫助簡化電池供電型產(chǎn)品的 USB PD 端口設(shè)計，德州儀器的 USB PD 控制器添加了 I2C 主機支持功能來直接控制電池充電器。這種集成式 I2C 主機控制可實現(xiàn)無需外部微控制器 (MCU) 的雙芯片解決方案。USB PD 控制器將根據(jù)通過 USB PD 端口進行的功率協(xié)商情況，通過 I2C 自動更新電池充電器的充電參數(shù)。此外，無需開發(fā)固件即可將 USB PD 端口添加到電池供電型產(chǎn)品中。TPS25751 和 TPS26750 是用于 USB-C 加電池充電器配對形式的兩個 USB PD 控制器。

TPS25751 是 SPR PD 控制器，而 TPS26750 是能夠協(xié)商完整 240W EPR 的 EPR PD 控制器。表 2 顯示了推薦的 USB PD 控制器和電池充電器配對。借助這些配對的參考設(shè)計，您可以將設(shè)計“復(fù)制并粘貼”到您的應(yīng)用中。

表 2 USB PD 控制器和電池充電器配對

參考設(shè)計

為了支持整個 240W 擴展功率范圍，240W USB Type-C PD3.1 EPR 電池充電器參考設(shè)計將 TPS26750 與我們的 BQ25756 雙向降壓/升壓充電控制器搭配使用。如圖 3 所示，該參考設(shè)計將這兩個器件組合到同一塊印刷電路板上，無需外部 MCU 和自定義固件即可實現(xiàn)雙向 240W 解決方案。

圖 3: EPR 電池充電器參考設(shè)計方框圖

該電池充電器參考設(shè)計是一種集成式 USB PD 和充電參考設(shè)計，適用于電動工具、真空吸塵器、移動式發(fā)電站和電動自行車等產(chǎn)品的 7 至 14 節(jié)電池。TPS26750 通過簡單的 I2C 通信與 BQ25756 配合使用，無需進行固件開發(fā)。通過使用 TI USB PD 控制器的應(yīng)用程序自定義工具，可以輕松地對 TPS26750 進行編程。

該電池充電器參考設(shè)計可支持通過符合 USB PD 3.1 規(guī)范的輸入源以高達 240W 的功率為電池充電，并在 On-The-Go 模式下提供高達 48V、5A 的輸出。BQ25756 實現(xiàn)了一個四開關(guān)降壓/升壓充電器，可在降壓、降壓/升壓和升壓模式之間轉(zhuǎn)換。高度的集成和簡單的設(shè)計將降低物料清單成本、縮減尺寸并加快產(chǎn)品上市。

結(jié)語

隨著近期最大功率范圍的增加，USB-C 逐漸成為未來的通用連接器。盡管 USB-C 可能被視為具有挑戰(zhàn)性的新技術(shù)，但德州儀器解決方案可從軟件和硬件兩個角度實現(xiàn)集成，從而簡化您的設(shè)計流程。我們的 USB PD 控制器與電池充電器配對，再結(jié)合我們的參考設(shè)計，可實現(xiàn)更小的解決方案尺寸并縮短產(chǎn)品上市時間。