USB Type-C充電連接器：設計、優(yōu)化和互操作性

USB Type-C充電連接器：設計、優(yōu)化和互操作性

2022年6月，歐盟議會批準了一項新指令，要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產(chǎn)品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業(yè)帶來影響，包括手機、數(shù)碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內(nèi)，但在2026 年之前，制造商還不需要遵守該項規(guī)定。到2027 年，歐盟議會計劃在這項規(guī)定中增加更多的設備；然后，每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。

歐盟頒布通用充電器指令

2022年6月，歐盟議會批準了一項新指令，要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產(chǎn)品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業(yè)帶來影響，包括手機、數(shù)碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內(nèi)，但在2026 年之前，制造商還不需要遵守該項規(guī)定。到2027 年，歐盟議會計劃在這項規(guī)定中增加更多的設備；然后，每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。

隨著這項指令開始生效，制造商需提供不帶充電適配器的產(chǎn)品包裝版本，也可選擇提供原裝充電器版本。這樣，如果消費者已經(jīng)有 USB Type-C 充電線和充電器時，他們可以購買不帶新充電器的產(chǎn)品版本，從而節(jié)省資金并減少電子垃圾。據(jù)估計，這項規(guī)定每年可減少多達2200 萬磅的電子垃圾。

本文將討論 USB Type-C 連接器的工作原理、定義方式及其典型應用，同時以 MPS 產(chǎn)品為例，重點介紹如何優(yōu)化 USB Type-C 連接器。

USB Type-C連接器

USB Type-C（也稱為 USB-C）規(guī)范發(fā)布于 2014 年。這種連接器因優(yōu)于 USB Type-A 等舊的USB 連接器而迅速流行起來。它支持正反插，即在插入端口時不需要關注方向，而且它們比傳統(tǒng)連接器更加小巧（見圖 1）。 更重要的是，USB Type-C 連接器可以處理更高的功率，這意味著它可以適用于更廣泛的便攜式應用。

圖 1：USB Type-A 與 USB Type-C 連接器

USB Type-C電源檢測

USB Type-C 連接器有特定的電源檢測和協(xié)商接口。USB Type-A電源持續(xù)輸出5V電壓，而USB Type-C 電源則通常處于關閉狀態(tài)，只有當用戶將 USB Type-C 電纜插入設備時，電源才打開。這是因為 USB Type-C 連接器通過單獨的配置通道 (CC) 引腳提供檢測功能，只有在檢測到電纜兩端的連接時才打開電源。

此外，CC 引腳還提供電流水平檢測功能，并實現(xiàn)電源（供電端）和耗電端（接收端）之間的角色定位。這項功能使USB Type-C 產(chǎn)品能夠兼容傳統(tǒng) 的5V USB 產(chǎn)品；與此同時，還能利用 CC 引腳進行功率協(xié)商，通過USB 供電 (USB PD) 協(xié)議實現(xiàn)更高功率的檢測。

圖 2 顯示了 USB Type-C 電源檢測的基本原理。

圖 2：CC 引腳上的 USB Type-C 配置通道

USB Type-C 功率級別

如前所述，USB Type-C 連接器功能非常強大，它支持各種新標準，例如 USB PD、USB 3.1 和 DisplayPort。舊版本的 USB 連接器只能單向提供最高 7.5W 的功率，USB Type-C 則可以通過標準電纜和最少的附加電路支持高達 15W 的單向和雙向應用，以及兼容USB PD并高于15W的應用。

標準功率范圍 (SPR) 的 USB PD 可在 100W 功率時支持高達 20V 的電壓。USB PD 規(guī)范最近更新的擴展功率范圍 (EPR)更可以提供高達 240W 的功率。此外，USB PD 允許雙向功率流動，這意味著設備可以提供或者接收功率；不像單向連接器，例如 micro-B USB，只能接收功率。廣泛的功率傳輸范圍意味著帶PD功能的 USB Type-C 既可以輕松為智能手機充電，又可以為筆記本電腦充電。（不過，并非所有 USB Type-C 都支持 USB PD，本文將在后面進行更詳細的討論。）

表 1 顯示了USB Type-C不同操作模式下的功率級別。

表 1：USB Type-C 連接器的功率輸出

USB 供電 (USB PD)

如前所述，USB PD 可以提供高達 240W 的功率，并且支持雙向操作，這意味著它可以提供或者接收功率。非PD的USB Type-C源可以提供最高 15W 的功率 (5V/3A)，而 USB PD 源可以提供超過 5V的電壓，因此功率也超過 15W。功率傳輸提高意味著 USB PD 可以比傳統(tǒng)連接器更快地為設備充電。此外，USB PD 還指定了供電端和接收端的電壓和電流容限。

支持 USB PD 的產(chǎn)品需要兩顆額外的芯片，即PD 控制器，一顆芯片在電源中（供電端），另一顆在便攜式設備中（接收端）。產(chǎn)品利用兩顆芯片的 CC 線通過電纜進行通信。供電端傳達它可以支持的電壓和電流，而接收端（例如揚聲器或手機）則傳達它需要的電壓和電流。供電端相應調(diào)整其輸出電壓，以確保將最佳電壓和電流量輸送到接收端。由于這兩顆芯片增加了成本，因此USB PD 通常不會用于功率低于 15W 的應用。

圖 3 顯示了 USB PD 的通信結構。

圖3: USB PD通信結構

歐盟指令的另一部分是為高于15W 的應用提供 USB PD功能。盡管有部分公司采用私有協(xié)議來協(xié)商更高的電壓和功率，但為了確保不同充電適配器和設備之間的互操作性與安全性，歐盟新指令規(guī)定不允許使用這些方法。此外，出于安全和互操作性方面的考慮，USB Type-C 規(guī)范明令禁止使用 USB PD 以外的協(xié)議將電壓提升至 5V 以上。

例如，有些智能手機雖然使用了 USB Type-C 連接器，但只有在使用特定電纜、插入特定充電適配器時才能“快速”充電，因為這些產(chǎn)品并沒有使用 USB PD。這意味著市售的某些 USB PD 充電適配器可能無法為產(chǎn)品快速充電，即使其額定功率與原裝適配器相當。這種現(xiàn)狀會導致用戶混淆，增加電子垃圾，并使產(chǎn)品的安全性和可靠性依賴于特定制造商的私有充電協(xié)議。

USB Type-C 連接器：合規(guī)、安全與優(yōu)化

在致力于讓其產(chǎn)品支持USB Type-C的過程中，制造商們必須認識到，物理上充分滿足要求與滿足 USB Type-C 規(guī)范之間是有區(qū)別的。制造商可以自行決定是否提交其產(chǎn)品進行 USB Type-C 認證，從而在產(chǎn)品上印刷USB Type-C 的標志。

為了降低成本，有部分制造商只要USB Type-C 連接器能夠供電或接收功率，達到其最低物理要求即可，而不是去獲得認證。盡管這種方法性價比較高，但那些缺失的特性和功能有可能導致安全問題，從而損壞設備本身或與其相連的其他產(chǎn)品。

未經(jīng)認證的 USB Type-C 產(chǎn)品可能產(chǎn)生五花八門的故障并帶來安全隱患，但也有一些方法可以提供強大的保護措施來緩解這些問題，例如保護電纜、供電端和接收端。下面我們將討論其中一些隱憂及其解決方案。以下第 1 點描述了經(jīng)認證的 USB Type-C 接收器所具備的優(yōu)勢，其余各點均介紹 MPS 電源管理 IC 提供的額外保護功能和優(yōu)化功能。

1. CC 引腳上的輸入電流檢測: 用于不支持 PD（那些低于 15W的應用）的 USB Type-C ，USB Type-C 供電端可以提示通告提供三個電流級別：默認、1.5A 和 3A。其中“默認”意味著向后兼容舊 款USB 源（100mA 至 1.5A）。接收端檢測供電端的 CC 引腳通告以確定可以汲取多少電流，這一點非常重要。符合USB Type-C標準的接收端可以檢測 CC 引腳上的值并相應地調(diào)整其輸入電流限制，以避免從供電端汲取過多的電流。一旦設置了電流限制，當供電端更改其通告時，接收端就可以動態(tài)改變它汲取的電流量。

為了降低成本，部分制造商會在接收端的 CC 引腳上放置兩個電阻；當電纜連接在兩端之間時，供電端才會提供 5V電源（見圖 4）。但只有當接收端消耗的電流不超過通過 USB 數(shù)據(jù)線協(xié)商的默認電流時，才允許這樣配置。

圖4: 通過電阻實現(xiàn)輸入電流檢測

如果使用電阻替代恰當?shù)妮斎腚娏鳈z測，接收端不會檢查自己的 CC 引腳。假設一臺計算機有一個只能提供 500mA 電流的USB Type-A 端口。當接收端無法識別供電端只能提供 500mA 電流時，它可能會嘗試汲取 3A電流，這會造成過流 (OC) 情況并損壞供電端端口。接收端的充電器 IC 通常也有一個輸入電壓環(huán)路，但它只能防止輸入電壓降得太低。它無法保證接收端充電器 IC 的最小輸入電壓環(huán)路能夠足夠快地做出反應（或設置得足夠高），以防止損壞供電端。因此，該保護應被視為 CC 電流檢測和輸入電流限制的備用電路，而不是主保護電路。

請注意，簡單的電阻下拉方法可用于電流消耗不超過 1.5A 并提供 BC1.2 檢測的接收端應用（見下文）。

2. BC1.2 和私有充電器檢測：當供電端即沒有 USB Type-C 連接器（傳統(tǒng)電源），也不能提供小于 1.5 A 的電流時，BC1.2 標準定義了接收端如何檢測其電流輸出能力。這個檢測過程通過D+ 和 D- 引腳執(zhí)行。BC1.2中還增加了私有充電器檢測的內(nèi)容，它允許接收端檢測常見的充電適配器。

USB Type-C 規(guī)范不要求接收端在支持 CC 引腳檢測的情況下再兼容BC1.2標準。但是，如果接收端不符合BC1.2，則只能從 USB 2.0 供電端安全汲取 500mA 的最大電流，即 CC 引腳通告的默認電流。接收端添加 BC1.2兼容能力將允許其從通告了默認電流的供電端（例如傳統(tǒng)電源）汲取高達 1.5A 的電流，從而獲得更多功率、縮短充電時間并帶來更好的終端用戶體驗。

3. 不合規(guī)的傳統(tǒng)電纜檢測：傳統(tǒng)電纜是指一端為 USB Type-C 連接器，另一端具有不同（傳統(tǒng)）USB 連接器的電纜。為了向接收端通告電流水平，傳統(tǒng) USB Type-A 電纜必須在 USB Type-C 側(cè)的 CC 引腳和 VBUS 引腳之間連接一個 56kΩ 的上拉電阻。但是，有些不合規(guī)的傳統(tǒng) USB Type-C 電纜要么缺失上拉電阻（浮空或短路），要么阻值不正確。這都可能導致不正確的輸入電流限制檢測（如同使用 CC 引腳的輸入電流檢測），或者可能導致接收端 CC 引腳上發(fā)生過壓 (OV) 事件，因為接收端的 CC 引腳可能直接短接至 VBUS。為避免這些問題，USB Type-C 接收端設備應能檢測是否連接了不合規(guī)的傳統(tǒng) USB Type-C 電纜，從而保護 CC 引腳。

4. VBUS 和 CC 引腳的過壓保護 (OVP)：SPR PD 充電適配器電壓最高可達 21V，非 PD 充電適配器則最高 5.5V。因此，建議設置 VBUS 過壓保護值至少為 21V，以防 PD 適配器出現(xiàn)故障或發(fā)生 VBUS 瞬態(tài)浪涌。在正常工作條件下，CC 引腳不應承受高電壓，因為 CC 要么沒有物理連接到 VBUS（例如使用 USB Type-C 電纜），要么是通過 56kΩ 電阻連接到 VBUS（例如使用傳統(tǒng)電纜）。但是，由于 CC 引腳與 VBUS 引腳物理相鄰，因此仍有可能因連接器內(nèi)的雜質(zhì)造成它們之間的短路。而且也有可能因使用了不合規(guī)的電纜，造成VBUS 與 CC 引腳之間的短路。為保護 CC 引腳免受這些情況的影響，強烈建議設置 OVP。

5. 連接器濕度檢測：連接器上的濕氣會隨著時間的推移腐蝕并損壞器件，從而導致引腳短路或開路。這在雙角色端口 (DRP) 或供電端應用中尤為常見；在這些應用中，產(chǎn)品在通告供電模式時向 CC 引腳施加上拉電壓或電流（VBus在供電模式期間也被啟用）。如果產(chǎn)品接觸到任何電解液（例如水），設備應能夠檢測到，并強制產(chǎn)品進入接收端模式（移除 CC 上拉偏置和 VBus），并提醒用戶。

6. 連接器溫度監(jiān)控：USB Type-C連接器有4個并聯(lián)的VBUS引腳和4個接地引腳。隨著時間的推移，連接器不斷聚集雜質(zhì)或磨損，一些引腳可能會出現(xiàn)開路情況，這會擾亂電流的流動并導致電流擠向其余引腳。這些額外的電流會讓連接器升溫。為避免過熱和可能的永久性損壞，USB Type-C 產(chǎn)品應能夠監(jiān)測這種情況，在需要清潔連接器時提醒用戶，并降低電流消耗以降低溫度。

安全和優(yōu)化用例

想象一根電纜兩端都沒有 USB Type-C連接器，該如何應對？一旦有物體插入，充電 IC 應能夠檢測到，分析電流限制，并確定電纜是否合規(guī)。如果是 USB Type-C 轉(zhuǎn) USB Type-C 電纜，CC 引腳將直通電纜，供電端電源上拉，然后接收端（帶充電器 IC）下拉。

如果是傳統(tǒng)的Type-A 轉(zhuǎn) Type-C 電纜， CC 電壓將通過一個電阻上拉至 VBUS。但就在幾年前，還有很多這類電纜是不合規(guī)的（例如用錯電阻或 CC 引腳與輸入電壓短路）。這導致 CC 控制器或芯片檢測到比實際電流更高的電流，這意味著具有 500mA 電流能力的供電端可能通過電纜告知了 3A 的電流能力。MP2722 等器件將可以應對這些問題，該器件可以檢測這些電纜是否不合規(guī)，并正確設置輸入電流限制（見圖 5）。下面將詳細介紹該器件。

圖5: MP2722功能特性

一個安全且合規(guī)的解決方案應包含充電器IC、OVP 芯片和 CC 控制器芯片（或檢測 CC 引腳的芯片）。部分制造商為了降低成本省略了接收端的CC 引腳檢測和OVP 芯片。盡管這樣也能為接收端提供電源，但卻不能保證所連接產(chǎn)品的安全性。此外，也不能用于 DRP 應用。

MPS產(chǎn)品

MPS 一直引領著 USB Type-C 充電與電源管理領域的趨勢，并提供涵蓋范圍廣泛的 USB 應用解決方案。我們的目標不僅是滿足 USB Type-C 最低限度的實現(xiàn)要求，而是在合規(guī)性、安全性和功能性等方方面面都具備額外的優(yōu)勢。

USB Type-C 應用與MPS 產(chǎn)品

支持 USB Type-C 的電源管理 IC應根據(jù)特定應用而選擇。通常，這些產(chǎn)品可分為兩類：≤15W 的應用和超過 15W 的應用。

對于功率 ≤15W 的應用，產(chǎn)品包括 智能手機、商業(yè)銷售 (POS) 系統(tǒng)、揚聲器、電子煙、耳機、智能手表和部分平板電腦。這些產(chǎn)品不一定需要符合USB PD 標準，它們可以簡單地依靠 CC 控制器來確定電流水平和器件的電源角色。無需支持 USB PD 可以降低成本，因為無論供電端和接收端都不需要額外的 PD 控制器 IC。大多數(shù)功率小于15W 的產(chǎn)品都使用單節(jié)電池或并聯(lián)的多節(jié)電池。這些產(chǎn)品可以是接收端、供電端或者雙角色電源解決方案，如下所述：

1. 純接收端：只需要充電的應用，可以使用單向、5V、15W 的充電器 IC 為電池充電并完成接收端 CC 控制器操作。MP2722 是這類應用的絕佳選擇。

2. 純供電端：包括電源和車載充電器。這類應用不需要電池，只需要一個 5V 穩(wěn)壓器和一個供電端 CC 控制器。

3. 雙角色電源 (DRP)：DRP 解決方案是雙向的，這意味著它既可以汲取電量也可以提供電量。MP2722 就是一款雙向 5V、15W 充電器 IC，它既可以為電池充電，也可以提供 5V 輸出和 DRP CC 控制器。

對于功率大于15W 的應用，如筆記本電腦、移動電源、大型揚聲器、電動工具、醫(yī)療設備以及高端智能手機和平板電腦，則需要支持USB PD。這類解決方案提供 DRP，并通常分為兩大類：

1. 單電池USB PD：單電池（或多節(jié)電池并聯(lián)）USB PD方案一般用于≤20W的中高端手機、平板電腦和移動電源。MP2731 降壓充電器IC專為這些應用而設計。具體詳細信息，請參閱 MP2731 USB PD 參考設計。

2. 2至4節(jié)串聯(lián)電池USB PD：多節(jié)電池串聯(lián)的USB PD解決方案通常用于需要20W以上功率的筆記本電腦、平板電腦、游戲設備、醫(yī)療設備和移動電源。這些應用需要升降壓充電器IC，例如 MP2760 或 MP2651，它們均可用于創(chuàng)建完整的USB PD 解決方案。

MP2722

MP2722是一款高度集成的 5V 開關模式電池充電器IC，適用于鋰離子和鋰聚合物電池。該器件提供窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理功能，能夠提供高達 5A 的充電電流。它完全符合 USB Type-C 1.3 標準，并提供集成的 CC DRP 控制器，用于源（供電端）模式或接收端模式下的雙向 15W 調(diào)節(jié)。MP2722 還在 VBUS 引腳上集成了 26V OVP，在 CC 引腳上集成了 22V OVP，同時提供一個 I2C 接口用于靈活配置參數(shù)。

同類15W DRP USB Type-C 方案都需要單獨的充電器 IC、DRP CC 控制器，以及 VBUS 和 CC 引腳的 OVP IC。MP2722 則將這三種功能都集成在一個芯片中，最大限度地節(jié)省了占位面積和成本（見圖 6）。

圖6: 傳統(tǒng)解決方案與MP2722

此外，MP2722 還支持高級USB Type-C 功能，因而更加合規(guī)、安全且高度優(yōu)化。 這些功能包括連接器溫度監(jiān)測、連接器濕度檢測、不合規(guī)傳統(tǒng)電纜檢測，以及支持可優(yōu)化傳統(tǒng)充電適配器的 BC1.2。 MP2722尺寸小并完整集成了 USB Type-C 的所有功能， 非常適合單電池 USB Type-C 應用。

MP2731

MP2731 是一款 15V、4.5A 開關模式電池充電IC，它具有 NVDC 電源路徑管理功能，并集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和 I2C 接口。采用 MP2731 和外部 USB PD 控制器可以為 USB PD 應用提供完整的解決方案（請參閱參考設計），同時還符合 USB PD 3.0 規(guī)范。

該設計提供了一個 DRP USB Type-C 端口，允許雙向供電并可在接收端模式下實現(xiàn)快充。當存在 USB 輸入時，充電器被配置為接收端并為電池充電。如果 USB PD 接收端連接到該端口，則充電器充當供電端，并用電池作為電源提供穩(wěn)定的輸出電壓。

MP2731 PD設計可實現(xiàn)高達18W的PD快充。此外，MP2731 還集成了一個輸入阻斷 FET，這樣就可以選擇使用一個額外的 USB PD 輸入 FET，從而降低BOM 成本并減小PCB 尺寸。該設計適用于任何想要利用USB PD 實現(xiàn)快充的單電池應用。

MP2760 and MP2651

MP2760 是一款 20V、6A 升降壓充電IC，它具有 NVDC 電源路徑管理功能，適用于 1 至 4 節(jié)串聯(lián)電池組。該器件具有 4 個集成開關 FET、ADC 和 I2C 接口，可提供極為緊湊的解決方案。它可以在升壓模式、降壓模式和升降壓模式下運行，具體取決于輸入和電池電壓；通過反向操作，該器件可以在供電端模式下通過電池為輸入供電。MP2760 電池充電器IC在SPR 電壓和電流水平滿量程范圍內(nèi)均符合 USB PD DRP 操作要求。

MP2651 與 MP2760 引腳對引腳兼容，但針對不需要 NVDC 電源路徑管理的應用進行了優(yōu)化，例如移動電源、電動工具和電池備份產(chǎn)品。

這兩款器件均采用了 CCG3PA USB PD 控制器來創(chuàng)建完整的 USB PD 解決方案（見圖 7）。該解決方案包含一個可雙向操作的 DRP USB Type-C 端口。如果插入適配器，該端口可以充當接收端，并為電池充電；如果插入接收器，則該端口可以作為供電端，通過電池為 USB 供電。這兩個部件均可通過 I2C 接口進行配置，因而更加靈活。該設計非常適合揚聲器、平板電腦、醫(yī)療設備、商業(yè)銷售(POS) 系統(tǒng)、無人機和攝像頭等應用。

圖 7：MP2760 的 USB PD 解決方案

結語

USB Type-C 連接器（也稱為 USB-C 連接器）用途廣泛，比舊款連接器尺寸小很多，而且向后兼容傳統(tǒng)USB 標準，并可提供高達 240W 的功率。通過遵循 USB Type-C 和 USB PD 規(guī)范并根據(jù)本文討論的優(yōu)化措施，制造商將幫助保持產(chǎn)品之間的互操作性，提供可延長產(chǎn)品使用壽命的保護措施，并為歐盟減少電子垃圾的目標做出貢獻。

在歐盟頒布通用充電器新規(guī)之前，MPS就一直致力于開發(fā)面向廣泛USB Type-C 和 USB PD 應用的充電器 IC和電池管理設備 。隨著 USB Type-C 連接器在全球范圍內(nèi)變得越來越普遍，便攜式應用的買家和制造商們必將獲益于我們豐富的產(chǎn)品系列。

審核編輯：湯梓紅