USB 供電 (PD) 市場在便攜式、電池供電的電子設備（如手機、筆記本電腦、無線揚聲器、電動工具等）中持續增長。USB PD 為消費者提供了極大的好處，因為它可以從同一個 USB Type-C 連接器提供高達 240W（在 USB PD 修訂版 3.1 規范中）的功率。圖 1 描繪了通過 USB Type-C 連接器為手機充電的情況。

USB PD 提出了新的電源要求挑戰，因為有多種可用的電壓和電流組合——5V、9V、15V、20V、28V、36V、48V 和 1.5A、3A、5A 等——以提供廣泛的電源USB PD標準可以提供。在電源通過 USB 電纜供電之前，電源（例如壁式適配器）和嵌入式設備（例如手機）分別以適當的電壓和電流水平傳達它們的電力能力和電力需求。

一些解決方案需要多個集成電路 (IC)，包括用于供電的端口檢測器、微控制器和充電器。雖然這些解決方案有效，但它們占用了電路板上的空間，增加了解決方案成本，并且需要定制固件，而創建這些固件可能很耗時。

獨立的 PD 控制器可以通過管理功率協商來幫助解決這些挑戰，而無需開發固件。

本文將簡要介紹 5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V 電壓軌的同化如何提供電力傳輸的多功能性，從而減少房屋周圍的電纜。然后介紹了 Analog Devices 的 MAX77958 獨立 PD 控制器，該控制器通過包括端口檢測和非易失性存儲器而無需定制固件。

USB-C PD 電源要求

USB PD 的顯著優勢之一是允許消費者使用相同的電纜和電源適配器為其 2.5W 手機和 25W 無繩電鉆充電。抽屜里裝滿不同電纜或永遠找不到正確充電器的日子將成為過去。

在我們開始研究 USB PD 之前，有必要重新審視以前的 USB 標準，以了解 USB PD 的一些優勢和挑戰。第一個 USB 標準——USB 1.1 和 USB 2.0——用于數據傳輸而不是電力傳輸。它們僅允許通過 USB 電纜提供最大 5V 和 500mA 的電流。

隨著時間的推移，消費者開始對 USB 提出更多要求。他們想通過 USB 電纜快速為電池充電，此時 500mA 的最大電流已經不夠用了。BC1.2 標準允許通過 USB 電纜傳輸高達 7.5W（5V 和 1.5A）的功率，從而滿足了這些消費者的需求。

BC 1.2 標準擴展了通過 USB 為電池充電的能力，BC1.2 之后的每個新 USB 標準都增加了電源容量。Type-C 1.3 將功率能力擴展到 15W（最大），而 USB PD 3.0 將系統功率升級到 100W（最大）。最新的規范更新 USB PD3.1 將功率能力進一步擴展至 240W（最大值）。

BC1.2 和 Type-C 1.3 繼續提供所有以前版本的 USB 標準中使用的 5V 電壓軌，并通過將最大電流增加到 1.5A 和 3A，將功率能力分別增加到 7.5W 和 15W。USB PD3.0 還增加了電流和電壓能力，達到 100W（最大值）。它允許兩個設備通過 USB 電纜傳輸高達 20V 和 5A 的電流。新的 PD3.1 規范支持高達 48V 和 5A。

圖 2 總結了每個 USB 標準允許的功率能力以及最大電流和電壓。

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圖 2. 每個 USB 規范的電源能力。

USB PD 電源提供的電壓軌是可變的。USB PD 3.1 標準規定，電源不僅必須提供 5V 的最小電壓和 48V 的最大電壓，而且還必須提供一些介于兩者之間的電壓軌。

USB PD 3.0 標準要求電源根據電源的功率能力提供特定的電壓軌。可提供超過 15W 的電源必須提供 5V 和 9V 電源軌。那些能夠提供超過 27W 的必須提供 5V、9V 和 15V 電源軌。最后，能夠提供超過 45W 的電源必須提供 5V、9V、15V 和 20V 電壓軌。

電源還在每個電壓軌上提供不同的電流輸出。帶有 5V 軌的電源在該軌上提供 500mA 和 3A 之間的電流。具有 9V 電壓軌的那些在 9V 下傳輸 1.67A 和 3A 之間的電流。電源在 15V 軌上提供 1.8A 和 3A 之間的電流。最后，電源在 20V 時提供 2.25A 和 5A 之間的電流（圖 3）。

USB PD 3.1 標準增加了三個額外的電源電壓軌。電源提供 28V、36V 和 48V 的固定電壓軌，分別支持高達 140W、180W 和 240W 的功率水平。電源必須為每個電壓軌提供高達 5A 的電流。

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圖 3. USB PD3.0 電壓和電流能力。

除了標準電壓和電流供應，USB PD 規范還提供可編程電源 (PPS) 功能。PPS 功能允許在線設備從電源請求電壓和電流的微小變化。

PPS 功能對于通過優化開關充電器的工作點來加速鋰離子電池的充電非常有用。在一個充電周期的恒流階段，充電器為電池提供一個固定的電流，電池電壓會慢慢升高到最終充電終止電壓。通常，充電器的輸入是固定的，當充電器的輸入遠大于電池電壓時，就會產生功率損耗。PPS 功能調整充電器的輸入電壓，使其在接近峰值效率的情況下運行。由于功耗更低，因此可以通過增加充電電流更快地為電池充電。

PPS 允許沿著 USB 電纜進行無數的電壓和電流組合。想要使用 PPS 功能的設計人員必須找到一種方法，讓電源和串聯設備商定電源應該提供多少功率。

USB-C PD 設計模塊

在獨立的 USB PD 系統下開始充電并非易事。電源（例如壁式適配器）通過 USB 電纜連接到嵌入式設備（例如電話或電鉆）。兩種設備通常都需要多個 IC 來實現來回通信，以使電源準備好為串聯設備供電（圖 4）。

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圖 4. USB PD 設計框圖。

CC 引腳檢測 IC 通過測量 CC 引腳的電壓來識別電纜方向和源電流能力。該 IC 還請求電源的電壓和電流能力，并在串聯設備選擇電壓和電流時與電源通信。

BC1.2 檢測 IC 支持傳統 USB 適配器。盡管較新的設備更廣泛地采用 USB Type-C，但許多應用仍使用較舊的 USB 規范。BC1.2 兼容端口具有 D+/D- 引腳而不是 CC 引腳來傳達電源的電源能力。BC1.2 檢測 IC 讀取 D+/D- 引腳，為仍使用傳統 USB 標準的應用配置充電。

充電器 IC 安全有效地為直插式設備上的電池充電。電源將為嵌入式設備（充電器的輸入源）提供恒定電壓。然后，充電器將確保將電池充電至電池的電壓、電流和溫度規格。

最后，微控制器模塊 (MCU) 組織其他 IC 之間的通信。MCU 與 CC 引腳檢測 IC 通信以確定電源的供電能力。然后，MCU 將電源的能力與充電器和電池的電力需求進行比較，以確定電源應提供多少電流和電壓。MCU 將最終的電源設置傳回 CC 引腳檢測 IC，以正確配置電源。確認正確的電流和電壓后，MCU 將配置和啟用充電器。

USB PD 需要比傳統 USB 或標準 Type-C 設計提供的更多元素。更多的 IC 會導致更高的成本和更大的解決方案尺寸。它還需要復雜的固件設計來管理不同元素之間的通信并滿足所有 USB PD 3.0 標準要求。除非設計人員對 USB 規范有深入的了解，否則僅固件設計就可以創建更長的開發周期。

獨立 PD 控制器

獨立 PD 控制器可以通過將 CC 引腳檢測、BC1.2 檢測和 MCU 集成到一個 IC 中來幫助簡化 USB PD 設計。四個 IC 設計現在只有兩個，從而節省了電路板空間和成本。

集成到獨立 PD 控制器中最強大的元素是嵌入式 MCU，它集成了所有 USB PD 3.0 標準通信協議和時序要求。設計人員不再需要花費開發時間來了解這些規范。

一個獨立 PD 控制器的例子是 MAX77958 (圖 5)。MAX77958 的兩個獨特特性是非易失性存儲器和直接控制配套充電器的 I 2 C 主端口。這兩項功能都有助于消除對外部 MCU 和定制固件開發的需求。

圖 5. USB Type-C v1.3 和 PD 3.0 兼容的獨立 PD 控制器。

設計人員可以使用圖形用戶界面 (GUI) 為典型應用生成定制腳本，然后將它們加載到 IC 的非易失性存儲器中。PD 控制器自動執行命令，例如切換 GPIO 或通過 I 2 C 主端口向充電器發送 I 2 C 命令。

自定義腳本是使用簡單、用戶友好的命令在 GUI 中編寫的。該軟件將定制腳本轉換為十六進制格式，并將其寫入 IC 配置區域。開發人員可以根據他們的應用程序所需的功能定義簡單的函數和序列。

圖 6 顯示了設計人員可用于對自定義腳本進行編程的一些功能。GUI 根據自定義腳本輸出二進制 (bin) 和十六進制 (hex) 文件。自定義腳本是一項獨特的功能，可大大縮短開發時間。

圖 6. 自定義腳本的用戶編程。

結論

USB PD 規范極大地擴展了通過 USB 電纜充電的電池供電設備的數量。該規范概述了七種新的電壓軌要求——5V、9V、15V、20V、28V、36V 和 48V——以幫助適應廣泛的電源能力。電源和在線設備現在需要在充電開始之前協商電流和電壓水平。

獨立 PD 控制器將大多數模塊集成到一個 IC 中，這有助于簡化設計過程。有些甚至消除了對外部 MCU 和定制固件的需求。獨立 PD 控制器有助于加速您的設計開發，以確保您始終領先于 USB PD 的最新趨勢。

一般參考：

USB 供電規范

“ USB Power Delivery ”，Bob Dunstan 和 Petrie 的演講，2019 年 11 月

“ USB-C 基礎知識”，Sagar Khare 的視頻，Maxim Integrated，現在是 ADI 公司的一部分，2020 年 6 月

“使用 USB Type-C 進行設計并使用 Power Delivery 進行快速充電”，Digi-Key，2017 年 3 月

“ USB 供電：方便和安全”，瑞薩電子

審核編輯 黃昊宇