USB PD特性引入移動電源設(shè)計(jì)方案解析

作者：安森美半導(dǎo)體高級營銷經(jīng)理Satoshi Terada和產(chǎn)品營銷經(jīng)理Hideo Kondo

標(biāo)準(zhǔn)是好的，但有時(shí)您需要更多。例如USB Type-C就是這樣一個(gè)例子；USB Type-C旨在創(chuàng)建一個(gè)用于高速數(shù)據(jù)傳輸和電力傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口，僅需一根電纜，取代需要多根電纜的需求。這很有意義，部分原因在于電子設(shè)備制造商不愿為他們付運(yùn)的每一臺設(shè)備提供電纜，還因?yàn)橄M(fèi)者正在處理大量被閑置在抽屜、櫥柜和臺式機(jī)上的 “備用”電纜。

但是，對一個(gè)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并不意味著所有設(shè)備的創(chuàng)建都是相同的。支持USB 3.x 供電的協(xié)議還使供應(yīng)商能使用所謂的供應(yīng)商定義消息模式（VDM）通過配置通道（Configuration Channel，CC）與設(shè)備通信。使用VDM，供應(yīng)商可以交換不止USB 3.0供電規(guī)范所定義的信息。它可以用于各種事情，但也意味著制造商可以直接與他們自己的設(shè)備通信。這種設(shè)備作為任何其他設(shè)備上的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，但給客戶帶來了附加價(jià)值使，如使用專門為其手機(jī)設(shè)計(jì)的壁式適配器的客戶。

接入VDM用于USB控制器中，并將進(jìn)一步增加USB Type-C連接的吸引力，實(shí)現(xiàn)諸如更快的充電或?qū)⒃O(shè)備進(jìn)入備用或輔助模式等功能，以能夠重復(fù)使用某些連接來接受非USB協(xié)議。

這些特性將為USB創(chuàng)建新的應(yīng)用，特別是在供電方面。繼續(xù)驅(qū)動超低功耗處理意味著可以用更少的功率完成更多的工作，并且由于USB連接的總功率現(xiàn)可達(dá)100 W （圖1），這開啟了各種各樣的可能性。但要實(shí)現(xiàn)這一潛力，需要一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)算的USB控制器。

Precedence：優(yōu)先排序

Highest：最高

Lowest：最低

Mode of Operation：工作模式

Current：電流

Default USB Power：默認(rèn)USB電源

Nominal Voltage：額定電壓

Configurable：可配置

Maximum Current：最大電流

Up to 1.5 A：達(dá)1.5 A

Sink/source can be swapped， power direction no longer fixed：匯/源可以互換，電源方向不再固定。

圖1：USB Type-C電源配置選項(xiàng)

快速充電

供電規(guī)范與現(xiàn)有的電池充電規(guī)范一起工作，但在使用VDM時(shí)帶來了額外的好處。最值得一提的是，它支持高通的快速充電功能，基于選擇Snapdragon處理器，從而提供更高的功率，為智能手機(jī)提供更快的充電周期。其他制造商也可獲批使用這項(xiàng)技術(shù)。目前正使用的幾種充電協(xié)議，如摩托羅拉的TurboPower充電技術(shù)、聯(lián)發(fā)科的Pump Express和三星的自適應(yīng)快速充電技術(shù)。

當(dāng)不使用兼容的電源適配器時(shí)，智能手機(jī)將默認(rèn)為較低的功率設(shè)置，但當(dāng)它與制造商自己的/批準(zhǔn)的充電器一起使用時(shí)，用戶將得以更快的充電。雖然不同制造商的規(guī)格不同，但USB 3.1 PD規(guī)范在5V到12V之間能提供高達(dá)27W的功率。

為了幫助消費(fèi)者選擇合適的方案，USB開發(fā)者論壇（USB IF）已將USB充電器規(guī)范和Logo程序擴(kuò)展到包括USB快速充電器。本程序認(rèn)證的充電器支持USB PD 3.0規(guī)范的可編程電源（PPS）特性。

PD的部分吸引力在于它支持通過USB供電的設(shè)備與電源進(jìn)行協(xié)商，只提供所需的電量。這包括比默認(rèn)設(shè)置需要更少功率的設(shè)備，將意味著電源可以為更多的設(shè)備提供電力，在設(shè)備之間共享電源，和為設(shè)備提供的不止是電力。例如，顯示器可以為筆記本電腦及外部硬盤提供電源和通信通道，從而支持筆記本通過顯示器訪問硬盤驅(qū)動。

移動電源

USB接口提供的電池充電功能無處不在，多年來一直為移動電源制造商所用。雖然移動電源提供了一種方便的方式，在遠(yuǎn)離插座的情況下獲取額外的電能，但從電池充電向電力傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變將需要新一代的移動電源。支持PD提供的可變功率引入了一定程度的復(fù)雜性，與通常使用簡單的通用電源管理IC或調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有的移動電源設(shè)計(jì)不兼容。

為了支持PD的所有功能，包括使用VDM的快速充電，移動電源制造商將需要轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器來提供通過USB PD提供的功能。例如安森美半導(dǎo)體的LC709501F。這高度集成的基于Flash的可配置設(shè)備匯集了所需的所有功能，通過多個(gè)USB接口管理鋰離子電池提供的電源。圖2所示為一個(gè)典型的應(yīng)用示例。

Power Bank：移動電源

Charger：充電器

USB detection：USB檢測

USB-PD Policy Engine：USB-PD策略協(xié)議

VDM Support：支持VDM

Port Controller：端口控制器

Battery：電池

圖2：使用LC709501F的典型移動電源應(yīng)用

通過安森美半導(dǎo)體開發(fā)的固件，配置也可擴(kuò)展到使用VDM模式，因此制造商可增加額外的價(jià)值，如實(shí)施快速充電技術(shù)。

它直接驅(qū)動外部MOSFET以提供可擴(kuò)展的電源，而它的開關(guān)控制器產(chǎn)生所需的電壓，從5V到12V。通過選擇合適的外部MOSFET，可支持所有的PD特性，包括快速充電3.0高壓專用充電端口（HVDCP）A類。Buck/Boost拓?fù)涫挂苿与娫淳哂蠻SB Type-C 雙角色端口（DRP）和USB BC1.2，并且還包括電池狀態(tài)特性，能使用四個(gè)LED來表示電池電量。利用USB 3.x的特性，智能手機(jī)應(yīng)用程序可提供更多關(guān)于移動電源的信息，如充電狀態(tài)、充電周期和充放電時(shí)間等。

安森美半導(dǎo)體提供評估板以幫助制造商設(shè)計(jì)導(dǎo)入LC709501F和選擇最合適的固件。例如，F(xiàn)W02支持一個(gè)Micro-B輸入，在兩個(gè)通道上支持Type-A輸出，快速充電3.0 HVDCP，Boost自動啟動和外部Boost IC用于進(jìn)一步的功率輸出，而FW05支持帶有DRP和Type-A輸出的Type-C，就像我們用作Boost自動啟動和外部升壓的IC一樣。更多的固件版本正在開發(fā)中，以支持其他配置。圖3是FW05提供的功能圖示。

圖3：LC709501F FW05提供的特性圖示

通過直接支持四個(gè)LED顯示電池電量，制造商無需增加一個(gè)額外的微控制器，節(jié)省了物料單（BoM）成本和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。評估板（器件型號LC709501EVA05GEV）實(shí)施FW05并支持四種模式，如圖4所示。

Function：功能

2-port （QC3.0 & 5V） Output：雙端口port （QC3.0 & 5V）輸出

Type-C DRP：Type-C雙角色端口（DRP）

Output：輸出

Input：輸入

Smartphone：智能手機(jī)

Adapter：適配器

圖4：FW05的4種模式

一種新的控制器

USB Type-C和PD的引入將為消費(fèi)者和制造商帶來巨大的好處，但因?yàn)殚_發(fā)人員需要學(xué)習(xí)如何接入新特性，以及對工程團(tuán)隊(duì)提出的要求，將需要一段時(shí)間來調(diào)整。

開發(fā)一個(gè)移動電源，完全支持PD，包括多個(gè)輸出和快速充電，將需要一種新的控制器，以USB 3.x為核心而開發(fā)。LC709501F是一系列設(shè)備的一部分，以使USB PD更簡單、更易于開發(fā)人員接入，而且它提供難以超越的集成度。它的靜態(tài)電流超低，僅15 μA，加上不需要額外的微控制器的特性，說明它可提供所有這些功能，同時(shí)消耗最少的電池電量。

通過供應(yīng)商定義消息模式配置控制器的能力是相對于功能較少的控制器的另一個(gè)優(yōu)勢，使制造商能夠差異化他們的產(chǎn)品，同時(shí)仍然完全符合USB IF規(guī)范。