如何在便携设备上实现USB PD快速充电

文章作者:Hank Cao

今天的消费者希望在任何地方方便快捷地为便携设备充电，无论是在商业中心、购物中心，还是在等待飞机或火车。然而，有许多不同类型的充电适配器和连接器，这可以决定哪一个充电器或充电器手上困惑的最终用户。如果消费者必须为不同的便携式设备(如手机、平板电脑和笔记本电脑)携带多种不同的充电适配器，这也会是一种令人不知所措的体验(图1)。

图1各种各样的输入源和适配器会让最终用户不知所措。来源:独立电力系统

USB Type-C连接器提供了大量的好处，与上面显示的连接器相比:桶形插孔，USB Type-A，和Micro-B。优点包括可逆插头，使用USB Type-C电源时更高的功率(高达100 W)，双角色电源能力(可以作为接收器或源)，以及更高的数据速度。

这些好处正在迅速推动更多消费设备使用USB Type-C连接器的整合。它的另一个好处是，消费者可以重复使用充电适配器和电线，从而大大减少电子垃圾。

图2USB Type-C连接器可能很快会成为普遍接受的标准。来源:单片电源系统

当考虑便携设备时，USB Type-C连接器的更高功率能力是非常重要的，因为这意味着设备的电池可以更快地充电。许多便携式设备使用的micro-USB连接器允许最大功率为7.5 W (5v加1.5 a)。使用USB Type-C，便携式设备可以以两倍的功率给电池充电，最高可达15w (5v加3 a)。

然而，即使一个标准的USB Type-C电源可以提供高达15w，最终用户将很少能够充分利用15w与5V电源。这是由于两个主要因素:

1. c型电缆可以有一个最大的250 m ω的往返电阻，设备的PCB和连接器通常增加约100 m ω的电阻与电缆串联。这意味着15瓦电源提供3 a在5 V可能只提供11.85 W (15 W - 3.15 W)的电源充电器由于IR下降。
2. 由于单芯电池的满电电压每年都在增加，所以5v的电源给充电IC带来了“净空限制”的问题。它的充电电压为4.4 V, 5-V USB - c型电源供电能力为15 W，并具有第一个例子中提到的串联电阻(350 m ω)。在这种情况下，电源输出和电池输入端之间只能存在0.6 V的降。这意味着最大可用电流约为1.7 A (0.6 V/0.350 ω)，相当于约7.5 W的功率。

为了克服这个限制，可以降低总串联电阻，或者增加电源的输出电压。由于串联电阻难以降低，USB供电(USB PD)提供了一种方法，将电源的输出电压提高到20 V，以提供高达100 W的功率。

更高的功率与USB PD

即使有上面提到的限制，标准的15-W USB Type-C电源对于许多便携式设备是足够的。然而，智能手机、平板电脑、无线扬声器、充电宝和相机等设备的电池通常大于3000毫安时，因此使用USB PD可以获得更快的充电速度。为了提供更高的功率输出，USB PD适配器可以根据便携式设备的命令将其输出电压提高到5v以上。根据电压和电流水平的不同，USB PD适配器能提供的最大功率通常在15w到100w之间。

图3显示USB PD的电源规则，这是概述在USB PD标准，以确保不同的PD适配器(源)和设备(水槽)之间的兼容性。源输出电压必须在5-V, 9-V, 15-V，或20-V的离散水平取决于其额定功率，同时也允许最大电流3 a。也可以将最大电流水平提高到5a，但这需要特殊的、有电标记的电缆来确保安全。

图3电源功率规则概述在USB PD标准。来源:单片电源系统

USB - c型电源传输利用了c型连接器的能力，通过增加输出电压提供更高的功率，同时仍然向后兼容5v，以实现通用充电。例如，如果接收器设备如扬声器只需要18w的功率(2 a下9v)，那么根据功率规则，任何兼容的额定至少27w的USB PD适配器都可以保证满足这一需求。

这意味着终端用户只需要为他们的所有设备携带一个USB PD电源，这更加方便和划算。对于制造商来说，这意味着他们不再需要在产品中捆绑电源适配器，这也降低了成本，并通过防止电子垃圾来保护环境。

为了实现USB - c型PD快速充电，便携设备和电源都需要PD控制器IC。PD控制器与PD适配器通信，以确定便携设备需要多少电力。PD控制器检查便携式设备的加载状态和安全故障信息。

此外，支持双角色端口(DRP)的PD控制器允许消费者从其便携设备上为其他设备充电，例如从笔记本电脑上为手机充电。这个便携设备就像一个充电宝一样，增加了使用的方便性。

充电器IC是实现USB - c型PD快速充电系统的重要组成部分。寻找快速充电解决方案的设计工程师可以:

• 简化他们的设计，同时实现通用充万博投注网址电——通过不同的充电配置和高输入电压为多个电池供电设备充电的能力。
• 延长电池运行时间，并使用最大的电池容量，以实现最佳的消费者体验。
• 提高充电效率，减少电能损耗。
• 保护电池，系统和输入适配器免受故障。

USB PD参考设计

USB PD快速充电参考设计包括一个大电流开关充电器，配合USB PD控制器，创造一个交钥匙解决方案(图4)。

图4一种包含充电器和控制器设备的USB PD快速充电解决方案的说明。来源:单片电源系统

在这个设计中使用的USB PD控制器符合最新的USB Type-C和PD标准。这样的控制器提供完整的功能和物料清单(BOM)集成优势，是便携设备的理想选择。

MP2731是一个集成的buck充电器IC，利用USB PD输入，在3.7 V到16 V的输入电压范围内为单细胞电池充电。集成的组件，这个buck充电器提供了灵活性，以充电紧凑，尺寸有限，电池供电的设备，如扬声器，相机，销售点(PoS)系统，和更多。

它还提供了一个I²C接口灵活编程充电配置，并监控充电状态和故障。超低功耗充电IC延长电池运行时间，在应用程序不使用时尽可能节省电池电量。为了支持c型连接器的DRP, IC可以对电池放电，在其输入端建立一个可调节的5v至3a。在这种模式下，Type-C端口是一个源端口，可以为智能手机等外部设备供电。

集成的8位模数转换器(ADC)可以监控充电过程和USB移动操作。包括快速充电安全计时器、电池温度监测、过压保护(OVP)和过流保护(OCP)在内的安全功能对电池充电和系统操作也是至关重要的。

为了处理PD快速充电，充电器IC降低了R值_DS(上)在开关充电器内集成fet，以提高充电效率在高电流。图5显示了PD快速充电方案的充电效率曲线，在电流为3 a、输入电压为9 v的情况下，充电效率可达91%

图5USB PD快速充电解决方案中充电IC的充电效率视图。来源:单片电源系统

快速充电能力可支持大容量电池，使便携式设备支持越来越多的功能。然而，便携式设备通常需要尽可能小，这就需要一个完全集成的开关充电器。

-汉克·曹，单片电源系统公司高级应用工程师。