USB Type-C 連接器和電源傳輸 (PD) 規(guī)范為移動(dòng)設(shè)備行業(yè)帶來了翻天覆地的變化，USB Type-C PD 3.0 可以優(yōu)化便攜式設(shè)備的電池充電。用于消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算設(shè)備連接以及 PD 的單電纜解決方案簡(jiǎn)化了消費(fèi)者的生活，他們長(zhǎng)期以來一直為手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的大量專有電源適配器所困擾。它還有助于推動(dòng)充電器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，包括越來越小的外形尺寸和變體，例如不同的功率級(jí)別、電源磚中的兩個(gè)或更多充電端口以及汽車適配器。
    在 USB Implementer's Forum 的主持下開發(fā)，隨后被采納為國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 標(biāo)準(zhǔn)，USB-PD 有兩個(gè)兼容規(guī)范；兩者都支持功率水平高達(dá) 100 W 的雙向充電。個(gè) - Power Delivery 2.0 - 在特定工作電流（例如 3 A）下支持固定輸出電壓，包括 5、9、12、15 或 20 V。第二個(gè)規(guī)范—PD 3.0—包括可編程電源 (PPS)，該功能允許在 3.3 至 21V 的電壓范圍內(nèi)以小至 20 mV 的增量調(diào)整 USB Type-C 充電器的輸出電壓。使用 PD 3.0 PPS USB-C 充電器，便攜式設(shè)備可以優(yōu)化電池充電時(shí)間和電池壽命。
    本文概述了典型電池充電系統(tǒng)的工作原理，回顧了 USB Type-C 供電規(guī)范以及 PD 2.0 和 PD 3.0 規(guī)范之間的差異。然后，本文將比較使用非 PPS 充電器和 PPS 充電器對(duì)智能手機(jī)等各種接收設(shè)備的充電，以說明設(shè)計(jì)支持 PPS 的通用 USB Type-C 充電器的優(yōu)勢(shì)。，本文將提供一個(gè)基于USB控制器芯片的USB Type-C PPS電源適配器設(shè)計(jì)實(shí)例。
    電池充電基礎(chǔ)知識(shí)
    手機(jī)和平板電腦通常使用 1 至 2 芯鋰離子電池，而筆記本電腦通常使用 3 至 4 芯電池。在所有情況下，電池的性能和電池壽命都取決于兩階段的高效充電：
    恒流充電
    恒壓或飽和充電

    如圖1所示，為單節(jié)鋰離子電池充電的階段是施加恒定電流（0.5 至 1.0 庫侖），直到電池電壓達(dá)到每節(jié) 4.2V。一旦電池電壓達(dá)到 4.2V，電池就會(huì)進(jìn)入第二種充電狀態(tài)，稱為飽和充電，此時(shí)會(huì)保持 4.2V 的恒定電壓，同時(shí)充電電流會(huì)隨著時(shí)間的推移下降到初始充電率的 10% 以下。

    鋰離子電池單元的電壓與電流充電曲線圖圖 1該圖顯示了鋰離子電池的電壓與電流充電。資料

    一個(gè)典型的電池充電系統(tǒng)，如圖2所示，包括一個(gè)微控制器 (MCU)，它根據(jù)鋰離子電池的數(shù)量管理充電電壓和電流，并監(jiān)控電池以防止不同的故障情況，例如過電壓、過電壓電流和過溫。電池充電 IC 采用 V BUS /DC 電壓輸入，并轉(zhuǎn)換為電池充電所需的必要充電電壓和電流。這種轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致功率損耗和散熱，從而導(dǎo)致手機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備在設(shè)備充電期間變熱。

    典型電池充電過程圖圖 2典型的電池充電包括一個(gè) MCU 和一個(gè)電池充電 IC。資料
    比較 PD 2.0 和 PD 3.0
    PD 2.0規(guī)范允許source（充電器）以允許電流向sink（移動(dòng)設(shè)備）提供5、9、12、15和20V等固定電壓。
    初連接設(shè)備時(shí)，電源通過 V BUS提供 5V 電壓。
    如果源發(fā)現(xiàn)它連接到 USB Type-C 電纜，它會(huì)發(fā)送一條 Source_Capabilities 消息；一系列 32 位功率傳輸對(duì)象 (PDO) 指定了每個(gè)固定電壓和它可以傳輸?shù)脑试S電流。
    接收器設(shè)備以 32 位請(qǐng)求數(shù)據(jù)對(duì)象 (RDO) 響應(yīng)，指示其所需的源電壓和電流。
    當(dāng)電池充電時(shí)，接收器會(huì)定期與源重新協(xié)商以增加或減少電壓和/或電流。在每次電源轉(zhuǎn)換期間，接收器需要將功耗降低到 2.5 W (pSnkStdby)，直到源接受請(qǐng)求并首先發(fā)送 Accept 消息，然后發(fā)送 PS-RDY 消息。
    USB PD 3.0規(guī)范引入了PPS的概念；它提供 3.3 至 21V 的輸出電壓范圍，而不是按照 USB PD 2.0 規(guī)范的固定電壓。PPS 電源適配器的電源功能由增強(qiáng)供電對(duì)象 (APDO) 消息公開，該消息通告和電壓水平以及電流水平。PPS 電源適配器的輸出電壓可以在此標(biāo)稱范圍內(nèi)以 20 mV 的增量進(jìn)行編程調(diào)整。除了這種更大的靈活性，PD 3.0 還支持固定 PDO 向后兼容。使用 PPS 接收器設(shè)備，在重新協(xié)商 V BUS時(shí)不需要降低功耗 (pSnkStdby)電壓和電流。接收器設(shè)備需要以多 10 秒的間隔向源發(fā)送請(qǐng)求消息，以避免硬重置。
    在恒壓 (CV) 模式下工作時(shí)，電源會(huì)努力在 V BUS上保持恒定電壓輸出，即使 V BUS負(fù)載電流發(fā)生變化也是如此。然而，V BUS負(fù)載電流也必須保持在可編程 RDO 中要求的工作電流范圍內(nèi)。如果 V BUS負(fù)載電流增加到超過請(qǐng)求的工作電流，則電源切換到恒流 (CC) 模式。
    在 CC 模式下運(yùn)行時(shí)，源通過降低 V BUS電壓以響應(yīng)電流消耗的增加來維持恒定電流。如果 V BUS負(fù)載電流繼續(xù)增加，電源將繼續(xù)降低 V BUS電壓，直到 V BUS達(dá)到 3.3V。如果接收器試圖吸收更多電流，源將發(fā)送硬重置并重置連接。

    固定 PDO 源（適配器）僅支持固定 PDO，而 PPS APDO 適配器也支持 APDO（表 1）。

    表 1 USB-C 固定 PDO 適配器與 PPS APDO 適配器。資料
    USB-C 固定 PDO 適配器和 PPS APDO 適配器比較表
    如前所述，供電規(guī)范保持向前兼容性：傳統(tǒng)的固定 PDO 適配器可與固定 PDO 接收器和新的 PPS 接收器一起使用。它還保持向后兼容性：新的 PPS APDO 適配器適用于 PPS 接收器和傳統(tǒng)的固定 PDO 接收器。但是，當(dāng) PPS 接收器連接到傳統(tǒng)的固定 PDO 適配器時(shí)，與使用 PPS APDO 適配器充電相比，充電需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

    進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來比較固定 PDO 與 PPS APDO 的充電時(shí)間。測(cè)試展示了 PPS APDO 充電器如何通過為新 PPS 設(shè)備提供快的充電時(shí)間來提供用戶體驗(yàn)，同時(shí)繼續(xù)支持舊的（非 PPS）設(shè)備而不會(huì)降低性能。它還展示了能夠使用現(xiàn)有的固定 PDO 充電器為新的 PPS 設(shè)備充電的便利性，盡管速度較慢。

    表2在使用的三個(gè)獨(dú)立充電器中，一個(gè)是新手機(jī)附帶的USB-C PD 3.0設(shè)備，另外兩個(gè)滿足PD 2.0規(guī)范。資料
    三款充電器對(duì)比表

    這些充電器用在兩個(gè)接收器設(shè)備上：一個(gè)新的支持 PD 3.0 的手機(jī)和一個(gè)支持 PD 2.0 的手機(jī)。如表 3所示，匹配的 PD 3.0 源設(shè)備和接收設(shè)備充滿電的時(shí)間為 60 分鐘，而同一部手機(jī)在使用 PD 2.0 兼容源充電時(shí)為 80-90 分鐘。在 60 分鐘標(biāo)記處，支持 PD 2.0 的充電器已達(dá)到充滿電的 80%，分別需要 20 分鐘和 30 分鐘才能完成充電。對(duì)于較早型號(hào)的手機(jī)，所有三個(gè)源設(shè)備的充電時(shí)間都相同。

    表 3比較了支持 PD 3.0 和 PD 2.0 的移動(dòng)設(shè)備的充電時(shí)間。資料
    PD 3.0 和 PD 2.0 就緒移動(dòng)設(shè)備的充電時(shí)間比較表
    USB PD 3.0充電器設(shè)計(jì)
    英飛凌有兩種適合實(shí)現(xiàn)PPS充電器的USB控制器方案：CCG3PA和PAG1P+PAG1S。
    CCG3PA ，如圖 3所示，是一款用于 DC/DC 汽車充電器的 USB PD 控制器。它具有集成的 32 位 Arm Cortex-M0 處理器、64 KB 閃存、8 KB RAM、內(nèi)置 USB Type-C 收發(fā)器、兩個(gè) ADC、兩個(gè)可編程通信接口、四個(gè)定時(shí)器模塊、集成反饋控制電路電壓調(diào)節(jié)，以及用于實(shí)現(xiàn) PPS 恒定電壓和恒定電流模式的硬件模塊。

    USB PD 控制器框圖圖 3該框圖顯示了 USB PD 控制器的主要構(gòu)建塊。資料

    PAG1P + PAG1S是針對(duì)次級(jí)控制 AC/DC 反激轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲械?USB-C PD 3.0 設(shè)計(jì)優(yōu)化的雙芯片解決方案。如圖 4所示，PAG1S 器件執(zhí)行電壓和電流調(diào)節(jié)，而 PAG1P 提供啟動(dòng)功能、驅(qū)動(dòng)初級(jí) FET 并響應(yīng)故障條件。PAG1P還支持X-cap放電模式，以達(dá)到更好的效率。另一方面，PAG1S 集成了同步整流驅(qū)動(dòng)器、USB PD 控制器、30V 耐壓穩(wěn)壓器、高壓 NFET 柵極驅(qū)動(dòng)器、OVP、SCP 和 OCP 保護(hù)。

    PAG1是次級(jí)側(cè)控制的反激式解決方案，支持動(dòng)態(tài)可變開關(guān)頻率，從而確保能效和可靠性。

    PAG1 次級(jí)側(cè)控制反激式解決方案的框圖圖 4雙芯片解決方案針對(duì)次級(jí)控制 AC/DC 反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲械?USB-C PD 3.0 進(jìn)行了優(yōu)化。資料
    單芯片和雙芯片設(shè)備都帶有參考設(shè)計(jì)，將控制器選項(xiàng)與業(yè)界廣泛的電源開關(guān)（包括硅 MOSFET 和 Gan HEMT）相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、高功率密度、低成本和可擴(kuò)展的充電器設(shè)計(jì)。