作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-27

隨著地區(qū)監(jiān)管機(jī)構(gòu)開始要求采用基于標(biāo)準(zhǔn) USB Type-C? 電纜和連接器的通用充電解決方案，專用設(shè)備充電器的窗口期正在迅速關(guān)閉。要趕在地區(qū)要求出臺之前滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以采用 USB Power Delivery (PD) 受電端控制器在設(shè)備和充電器之間協(xié)商功率傳輸，從而優(yōu)化自己的應(yīng)用，迎接新時(shí)代的到來。

2024 年 12 月后，在歐盟，任何需要最高 100 W 功率的有線充電設(shè)備都必須采用符合 USB PD 規(guī)范的 USB Type-C 充電端口（筆記本電腦在 2026 年前暫時(shí)不受此規(guī)定限制）。此外，印度和沙特阿拉伯的相同法令將于 2025 年在生效，隨后加利福尼亞州將于 2026 年生效。

USB Type-C 自身只能在 3 A 電流下提供 5 V 電壓，總功率為 15 W。要實(shí)現(xiàn) 100 W 功率，需要符合 USB PD 3.0 或 USB PD 3.1 規(guī)范，以確保 Type-C 連接器在傳輸高速數(shù)據(jù)的同時(shí)，能夠協(xié)商更高的電壓。

USB PD 3.0 能夠傳輸高達(dá) 100 W 的功率，以及 5 V、9 V、15 V 和 20 V 的固定電壓，最大電流為 5 A。最新的 USB PD 3.1 規(guī)范包含擴(kuò)展功率范圍 (EPR) 和高級電壓供應(yīng) (AVS)，可將輸出功率提升至最高 240 W，并新增了 28 V、36 V 和 48 V 三種固定電壓。

USB PD 3.x 規(guī)范改進(jìn)了較早的 PD 2.0 版本，增加了受電端（接收功率的設(shè)備）和供電端（提供功率的設(shè)備）之間交換的信息量，并將一些可能影響應(yīng)用的因素納入考慮，例如設(shè)備電池的充電狀態(tài)、電池溫度、故障和過電壓。

通過 USB PD 3.0 提供的 100 W 功率足以為某些筆記本電腦、顯示器，甚至是某些電視機(jī)充電。USB PD 還支持包括 DisplayPort 和 HDMI 在內(nèi)的視頻和音頻輸出標(biāo)準(zhǔn)，以及 Thunderbolt 3 等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

提供增強(qiáng)型應(yīng)用

利用 USB PD 3.x，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以為用戶提供更好的體驗(yàn)，不僅充電和數(shù)據(jù)傳輸速率更快，而且只需一條電纜和一個(gè)連接器就能兼容各種設(shè)備。目前，消費(fèi)者和企業(yè)需要使用多種電纜和充電器為不同設(shè)備充電，從而產(chǎn)生大量電子垃圾。而以后，設(shè)計(jì)人員可以宣稱這一情形將得到改善。

這項(xiàng)技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠減少端口和元器件的使用，從而簡化設(shè)計(jì)。此外，這樣可以免掉充電器重量及其額外的包裝，從而降低制造和運(yùn)輸成本，并且無需投入精力和時(shí)間更新新設(shè)備專用的充電器。

通過使用單一電纜和連接器實(shí)現(xiàn)多功能，設(shè)計(jì)人員可以專注于開發(fā)更出色的新應(yīng)用，充分利用 USB Type-C PD 的高功率和數(shù)據(jù)傳輸速率。他們還可以通過擴(kuò)展塢、集線器和轉(zhuǎn)換器等附加功能擴(kuò)展設(shè)備的連接性和兼容性，增強(qiáng)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)和功能。

利用 USB PD 3.0 開發(fā)新應(yīng)用時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨著一些挑戰(zhàn)，如遵守 USB PD 規(guī)范并確保與其他設(shè)備和充電器的互操作性。

防止過電壓、過電流或極性反接造成損壞或受傷是另一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其是在采用這項(xiàng)技術(shù)的解決方案中，電路和固件比前幾代產(chǎn)品更為復(fù)雜。支持多種協(xié)議和配置的功率傳輸控制器以及實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)和驗(yàn)證的評估板有助于克服這些挑戰(zhàn)。

發(fā)揮 USB Type-C PD 的作用

USB PD 3.0 的關(guān)鍵在于能夠使用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議協(xié)商和管理受電端與供電端之間的功率傳輸。USB PD 受電端控制器與 USB PD 供電端（如充電器）進(jìn)行協(xié)商，以獲取設(shè)備的功率配置文件。符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可根據(jù)自身的需要和能力，請求和提供不同的電壓和電流，并在工作過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整功率水平。

功率輸送協(xié)商和管理過程包括四個(gè)階段：

• 發(fā)現(xiàn) ：發(fā)生于受電端與供電端相互識別對方為符合 USB PD 的設(shè)備，并通過 USB Type-C 連接器上的配置通道 (CC) 引腳建立數(shù)據(jù)通信信道時(shí)。
• 能力交換 ：供電端向受電端確定其支持的功率配置文件（電壓和電流水平），然后受電端請求符合其要求的配置文件時(shí)。
• 功率合約 ：供電端接受或拒絕受電端請求的過程。如果接受，供電端按照商定的功率參數(shù)向受電端提供請求的功率。
• 功率規(guī)則更新 ：讓受電端或供電端能夠發(fā)起新的功率協(xié)商，以適應(yīng)電池電量或受電端負(fù)載的變化，或供電端輸入功率的變化。

USB PD 3.0 采用擴(kuò)展消息，管理受電端與供電端之間的信息交換，如電池狀態(tài)、溫度或制造商特定數(shù)據(jù)。其還支持可編程電源 (PPS) 模式，實(shí)現(xiàn)對供電端輸出電壓和電流的更精細(xì)控制，并在受電端與供電端之間無縫切換電源角色，而不中斷數(shù)據(jù)通信。

USB PD 3.0 的另一項(xiàng)關(guān)鍵功能是反向充電，它允許電池容量大的設(shè)備為電池容量小的設(shè)備充電，而不管它們的電源角色如何。因此，舉例來說，利用同一根 USB Type-C 線纜，筆記本電腦可以為智能手機(jī)充電，而這臺智能手機(jī)還可以為耳機(jī)充電，對于攜帶一條電纜給多臺設(shè)備充電的用戶來說，這是一種福音。

反向充電可能不與所有設(shè)備或充電器兼容。此外，可能還會縮短供電端設(shè)備的電池壽命，并增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。因此，與所有電子應(yīng)用一樣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡實(shí)施反向充電的利弊，確保它們符合 USB PD 3.x 規(guī)范，并測試與各種設(shè)備和充電器的互操作性。

USB 3 受電端控制器

為了在設(shè)備中實(shí)現(xiàn) USB PD 3.x 功能，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以采用專用受電端控制器，以便支持該協(xié)議并處理與供電端設(shè)備的通信。

[Diodes Incorporated]提供高度集成且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可提供快速充電、反向充電、PPS 模式，以及其他 USB PD 3.x 功能。它們還支持 Qualcomm Quick Charge 4+ 和華為 FCP/SCP 等傳統(tǒng)協(xié)議，確保與各種充電器和適配器兼容。

[AP33771]（圖 1）是一款 USB PD 3.0 控制器，具有符合 USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的固件和預(yù)裝功率菜單的界面，簡便易用。其提供一條輸出通道，可輸送高達(dá) 27 W 的功率。

圖 1：AP33771 受電端控制器的引腳分配。（圖片來源： Diodes Incorporated）

[AP33772]（圖 2）是一款 USB PD 3.0 控制器，利用 I2C 接口和內(nèi)置固件協(xié)商電源和電壓。這讓設(shè)計(jì)人員能夠更加靈活地實(shí)施所有 PD 受電端功能。該器件還提供兩條輸出通道，可輸送高達(dá) 45 W 的功率，并為每條通道提供了內(nèi)置過壓保護(hù) (OVP) 電路，可防止在充電器或電纜出現(xiàn)故障時(shí)損壞設(shè)備。

圖 2：Diodes 的 AP33772 受電端控制器采用與 AP33771 相同尺寸的封裝，但引腳分配不同。（圖片來源： Diodes Incorporated）

Diodes 還提供一款 USB PD 3.1 受電端控制器 [AP33771C]，支持最高 28 V 的 EPR/AVS 和最高 21 V 的標(biāo)準(zhǔn)功率范圍 (SPR)/PPS。

以上每款控制器均待機(jī)功耗低、效率高，并具備熱保護(hù)功能。這些器件采用小尺寸 W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) 封裝，適用于小型便攜式設(shè)備。

此外，Diodes 還為其 USB PD 3.0 控制器提供了兩款評估板。[AP33771-EVB]和 [AP33772-EVB]均設(shè)計(jì)用于評估使用配備 Type-C 連接器的設(shè)備和配備 Type-C 連接器的 PD 充電器或適配器的充電應(yīng)用。AP33771-EVB 使用簡單的電阻設(shè)置進(jìn)行 USB-PD 協(xié)商，而 AP33772-EVB 則使用 I2C。

結(jié)語

USB Type-C 即將成為設(shè)備數(shù)據(jù)連接的全球標(biāo)準(zhǔn)。USB PD 3.x 協(xié)議為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了一條途徑，使他們能夠利用全球通用的連接器和電纜，為設(shè)備開發(fā)可提供更大功率、更快充電速度和數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用，從而消除對設(shè)備專用充電器的需求。借助 Diodes Incorporated 的解決方案，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以輕松地將 USB PD 3.0 或 PD 3.1 集成到他們的設(shè)備中，提高性能并改善用戶體驗(yàn)。

審核編輯 黃宇