如何將USB PD的特性引入移動(dòng)電源設(shè)計(jì)？

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(tái)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(tái)式機(jī)上的“備用”電纜。

但是，對(duì)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(guò)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(hù)帶來(lái)了附加價(jià)值，如使用專(zhuān)門(mén)為其手機(jī)設(shè)計(jì)的壁式適配器的客戶(hù)。

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(lái)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(dòng)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(kāi)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。

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(lái)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(hù)將得以更快的充電。雖然不同制造商的規(guī)格不同，但USB 3.1PD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(kāi)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(guò)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(pán)提供電源和通信通道，從而支持筆記本通過(guò)顯示器訪問(wèn)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)。

移動(dòng)電源

USB接口提供的電池充電功能無(wú)處不在，多年來(lái)一直為移動(dòng)電源制造商所用。雖然移動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單的通用電源管理IC或調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有的移動(dòng)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(dòng)電源制造商將需要轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器來(lái)提供通過(guò)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(guò)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。

圖2：使用LC709501F的典型移動(dòng)電源應(yīng)用

通過(guò)安森美半導(dǎo)體開(kāi)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(dòng)外部MOSFET以提供可擴(kuò)展的電源，而它的開(kāi)關(guān)控制器產(chǎn)生所需的電壓，從5V到12V。通過(guò)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(zhuān)用充電端口(HVDCP)A類(lèi)。Buck/Boost拓?fù)涫挂苿?dòng)電源具有USB 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(lái)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(dòng)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(píng)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(dòng)啟動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)和外部升壓的IC一樣。更多的固件版本正在開(kāi)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(guò)直接支持四個(gè)LED顯示電池電量，制造商無(wú)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(píng)估板(器件型號(hào)LC709501EVA05GEV)實(shí)施FW05并支持四種模式，如圖4所示。

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(lái)巨大的好處，但因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員需要學(xué)習(xí)如何接入新特性，以及對(duì)工程團(tuán)隊(duì)提出的要求，將需要一段時(shí)間來(lái)調(diào)整。

開(kāi)發(fā)一個(gè)移動(dòng)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(kāi)發(fā)。LC709501F是一系列設(shè)備的一部分，以使USB PD更簡(jiǎn)單、更易于開(kāi)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15μA，加上不需要額外的微控制器的特性，說(shuō)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(guò)供應(yīng)商定義消息模式配置控制器的能力是相對(duì)于功能較少的控制器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，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。