从桶形插孔转换到USB Type-C PD的详细知识

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本期，我们将继续介绍从桶形插孔转换到 USB Type-C PD的详细知识。

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在过去数年里，支持电力输送 (PD) 的 USB Type-C 标准已在各种电子产品中得到广泛应用。这一普遍应用得益于以下优势：统一端口（减少电子废弃物）、便捷的可逆连接器以及大功率能力等。

如 图 1 所示，最新版本的 USB PD 3.1 将 USB 的功率能力提升至 240W，相较之前 USB PD 3.0 规范的 100W 可用功率增加一倍以上。这使得现在可以通过 USB 为各种全新应用供电。为了减少电子废弃物，欧盟和印度已着手推动立法，要求自 2025 年起个人电子产品需采用 USB Type-C，预计这一趋势将扩及电动工具、智能扬声器、真空吸尘器、电动自行车充电器和网络等其他应用。这些趋势和法规迫使制造商寻找简单而又经济的方法，以将其产品上的电源连接器从桶形插孔转换为 USB-C 连接器。

图 1 USB 电源标准，其中最新 USB PD 3.1 版本将 USB 的功率能力提升至 240W

在本期电源设计小贴士中，我们将讨论系统电源注意事项，并演示如何快速、轻松打造 USB-C 连接器和电源管理电路，从而协商适配 USB PD 合约来满足设计的功率要求。

USB PD 功率流

同样值得注意的是，USB PD 生态系统中有三种类型的功率流：仅受电的设备、仅供电的设备，或允许双向功率流的设备（双角色电源）。在本文中，我们将重点介绍仅受电应用。

采用 USB PD 的接收端设备在接收来自 USB PD 电源的供电之前，必须在受电设备和电源之间进行一些握手和协商。这是因为 USB PD 电源总线的电压可以在 5V 至 48V 之间变动，具体取决于电源的功率能力。您显然不会想要将 48V 电压施加到仅应用于 15V 输入源的受电设备。在 USB PD 接收端应用中，需要一个被称为端口控制器的专用设备来执行此功率合约协商，并提供过流和过压等保护。

在过去，添加一个配置有适当功能的 USB PD 端口控制器，不仅需要深入了解 USB 认证，还涉及大量固件开发工作。为简化电源架构并降低设计复杂度，依托预编程 USB PD 控制器，设计人员可通过简单的电阻分压器设置来配置最大和最小电压以及电流接收能力，如 图 2 所示。这样就无需外部电擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、MCU 或任何形式的固件开发。

图 2 依托预编程 USB PD 控制器的 ADCIN 引脚，设计人员可通过简单的电阻分压器设置来配置最大和最小电压以及电流接收能力。

协商功率合约并匹配系统功率要求

在将产品转换为 USB PD 设计之前，务必了解 USB PD 生态系统的限制和要求。在电缆的源端，USB PD 电源将为系统供电，但使用产品的人员可以连接任意 USB PD 适配器或其他电源。您需要考虑为系统提供全功率所需的功率合约。此外，请考虑如果适配器的功率过低，系统将如何运行。

对于低于 20V 的电压，流经 USB Type-C 电缆的可用电流限制到 3A，对于 20V 及更高的电压，可用电流限制到 5A。此外，USB PD 电源只需要生成在最大允许电缆电流下提供额定功率所需的最低电压。例如 45W 适配器通常提供 15V 的最大输出电压，因为 45W 除以 3A 的结果为 15V。

如果您的系统设计为采用 15V 电源运行，但需要 50W 功率，这该怎么办？在此情况下，您需要配置端口控制器以接受更高的电压合约（例如 20V），从而确保有充足功率运行系统，并需要保障系统可处理这一稍高的输入电压。除了添加 USB Type-C 连接器和端口控制器之外，还需要对产品进行细微修改。另外，您通常仍然希望产品在连接到功率容量不足的 USB PD 电源时能够正常工作，但运行性能水平可能会降低。

设计示例

假设一款产品需要以 27W 的功率为 4 至 7 节电池充电，且产品之前通过 15V 桶形插孔供电。本例使用了降压或升压转换器，因为电池电压可能高于或低于 15V 输入，具体取决于充电状态。将此设计转换为 USB PD 输入只需一个简单的独立式 USB PD 控制器（例如 TPS25730）和降压/升压电池充电器。图 3 显示了系统架构。从图中可知，将桶形插孔转换为 USB PD 端口只需几个元件。通过 ADCIN4 引脚连接到 ADCIN1 的简单电阻器可设置功率曲线，无需任何固件开发工作。在此情况下，即使可用功率降低，产品仍必须使用 5V 电源充电，因此TPS25730 配置为 20V 最大电压和 5V 最小电压，工作电流设置为 3A。

图 3 27W USB PD 仅受电充电器参考设计方框图

输入电压动态电源管理

除了支持 USB PD 源输入外，该设计还应支持旧有的 USB 输入源，例如 5V 和 2A。为避免输入功率受限时输入电压崩溃，BQ25756E提供了输入电压动态电源管理功能，当输入电压降至参数 Vin_dpm 设定值时，该功能将降低充电电流。Vin_dpm 应设置为略低于输入电压减去通过电缆和电源路径压降的值，以便在显著增大电池充电电流的同时，不会导致输入源过载或输入总线不稳定。

图 4 显示了使用 1 米 USB 电缆（0.25Ω 电阻）从 5V/2A 电源充电的实验结果。当将 Vin_dpm 设置为 4.75V 时，可以看到输入充电电流受限并且不稳定（图 4 的左边部分）。如果正确配置，将 Vin_dpm 设置为 4.35V 以补偿电阻压降，输入电压保持稳定并且充电电流提升 50%，这将显著缩短充电时间。

图 4 使用 1m USB 电缆通过 5V/2A 电源充电时的输入动态电源管理

USB PD 实现方式

无需深入了解 USB PD，采用简化的 USB PD 控制器和电池充电器架构即可。不仅无需使用额外的 MCU 和 EEPROM（且无需开发固件），还可仅通过一个简单的电阻分压器来配置电压和电流接收能力，助力快速将桶形插孔转换为 USB Type-C 输入。

先前已发布于 EDN.com 上。

随着 USB‑C PD 功率提升到 240W，你觉得桶形插孔还会在你的产品中存在多久？