作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-27

隨著地區監管機構開始要求采用基于標準 USB Type-C? 電纜和連接器的通用充電解決方案，專用設備充電器的窗口期正在迅速關閉。要趕在地區要求出臺之前滿足這一標準，產品設計人員可以采用 USB Power Delivery (PD) 受電端控制器在設備和充電器之間協商功率傳輸，從而優化自己的應用，迎接新時代的到來。

2024 年 12 月后，在歐盟，任何需要最高 100 W 功率的有線充電設備都必須采用符合 USB PD 規范的 USB Type-C 充電端口（筆記本電腦在 2026 年前暫時不受此規定限制）。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。要實現 100 W 功率，需要符合 USB PD 3.0 或 USB PD 3.1 規范，以確保 Type-C 連接器在傳輸高速數據的同時，能夠協商更高的電壓。

USB PD 3.0 能夠傳輸高達 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 規范包含擴展功率范圍 (EPR) 和高級電壓供應 (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 規范改進了較早的 PD 2.0 版本，增加了受電端（接收功率的設備）和供電端（提供功率的設備）之間交換的信息量，并將一些可能影響應用的因素納入考慮，例如設備電池的充電狀態、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，甚至是某些電視機充電。USB PD 還支持包括 DisplayPort 和 HDMI 在內的視頻和音頻輸出標準，以及 Thunderbolt 3 等數據傳輸協議。

提供增強型應用

利用 USB PD 3.x，產品設計人員可以為用戶提供更好的體驗，不僅充電和數據傳輸速率更快，而且只需一條電纜和一個連接器就能兼容各種設備。目前，消費者和企業需要使用多種電纜和充電器為不同設備充電，從而產生大量電子垃圾。而以后，設計人員可以宣稱這一情形將得到改善。

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

通過使用單一電纜和連接器實現多功能，設計人員可以專注于開發更出色的新應用，充分利用 USB Type-C PD 的高功率和數據傳輸速率。他們還可以通過擴展塢、集線器和轉換器等附加功能擴展設備的連接性和兼容性，增強產品的用戶體驗和功能。

利用 USB PD 3.0 開發新應用時，產品設計人員面臨著一些挑戰，如遵守 USB PD 規范并確保與其他設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關鍵問題，尤其是在采用這項技術的解決方案中，電路和固件比前幾代產品更為復雜。支持多種協議和配置的功率傳輸控制器以及實現快速原型開發和驗證的評估板有助于克服這些挑戰。

發揮 USB Type-C PD 的作用

USB PD 3.0 的關鍵在于能夠使用標準化協議協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）進行協商，以獲取設備的功率配置文件。符合標準的設備可根據自身的需要和能力，請求和提供不同的電壓和電流，并在工作過程中動態調整功率水平。

功率輸送協商和管理過程包括四個階段：

• 發現 ：發生于受電端與供電端相互識別對方為符合 USB PD 的設備，并通過 USB Type-C 連接器上的配置通道 (CC) 引腳建立數據通信信道時。
• 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。
• 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向受電端提供請求的功率。
• 功率規則更新 ：讓受電端或供電端能夠發起新的功率協商，以適應電池電量或受電端負載的變化，或供電端輸入功率的變化。

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

USB PD 3.0 的另一項關鍵功能是反向充電，它允許電池容量大的設備為電池容量小的設備充電，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充電，而這臺智能手機還可以為耳機充電，對于攜帶一條電纜給多臺設備充電的用戶來說，這是一種福音。

反向充電可能不與所有設備或充電器兼容。此外，可能還會縮短供電端設備的電池壽命，并增加電路設計的復雜性和成本。因此，與所有電子應用一樣，產品設計人員必須權衡實施反向充電的利弊，確保它們符合 USB PD 3.x 規范，并測試與各種設備和充電器的互操作性。

USB 3 受電端控制器

為了在設備中實現 USB PD 3.x 功能，產品設計人員可以采用專用受電端控制器，以便支持該協議并處理與供電端設備的通信。

[Diodes Incorporated]提供高度集成且經濟高效的解決方案，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 等傳統協議，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 標準的固件和預裝功率菜單的界面，簡便易用。其提供一條輸出通道，可輸送高達 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 接口和內置固件協商電源和電壓。這讓設計人員能夠更加靈活地實施所有 PD 受電端功能。該器件還提供兩條輸出通道，可輸送高達 45 W 的功率，并為每條通道提供了內置過壓保護 (OVP) 電路，可防止在充電器或電纜出現故障時損壞設備。

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 的標準功率范圍 (SPR)/PPS。

以上每款控制器均待機功耗低、效率高，并具備熱保護功能。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]均設計用于評估使用配備 Type-C 連接器的設備和配備 Type-C 連接器的 PD 充電器或適配器的充電應用。AP33771-EVB 使用簡單的電阻設置進行 USB-PD 協商，而 AP33772-EVB 則使用 I2C。

結語

USB Type-C 即將成為設備數據連接的全球標準。USB PD 3.x 協議為產品設計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，為設備開發可提供更大功率、更快充電速度和數據傳輸速率的應用，從而消除對設備專用充電器的需求。借助 Diodes Incorporated 的解決方案，產品設計人員可以輕松地將 USB PD 3.0 或 PD 3.1 集成到他們的設備中，提高性能并改善用戶體驗。

審核編輯 黃宇