作者：ADI 業務經理Sagar Khare
摘要
獨立的PD控制器可以透過管理功率問題來協助因應解決方案尺寸和成本等設計挑戰，無需開發韌體。本文將簡要介紹5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V供電軌之間的同化如何在功率傳輸中表現多用性，以減少所需的電纜，之後將介紹一款獨立PD控制器，該元件包含埠檢測和非揮發性記憶體，無需使用客製韌體。
簡介
可攜式電池驅動電子裝置（例如手機、筆記型電腦、無線喇叭、電動工具等）推動USB功率傳輸(PD)市場持續成長。USB PD為消費性電子帶來巨大優勢，其可以透過同一個USB Type-C連接器提供高達240 W的功率（參見USB PD 3.1版本規格）。圖1顯示透過USB Type-C連接器充電的手機。
圖1.使用USB Type-C連接器充電的手機
為了供應廣泛的功率，USB PD標準可用的電壓和電流組合眾多（5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V、48 V和1.5 A、3 A、5 A等），因此USB PD提出了新的電源需求挑戰。在電源透過USB電纜供電之前，電源（例如插牆式電源轉換器）和線上設備（例如手機）分別以適當的電壓和電流水準傳遞其功率容量和功率需求。
一些解決方案需要多個積體電路(IC)，包括埠檢測器、微控制器和用於功率傳輸的充電器。雖然這些解決方案可用但會佔用板上空間，增加解決方案的成本，且需要客製化韌體，而生產這些韌體非常耗時。
透過獨立的PD控制器將可協助因應這些挑戰，其可管理功率問題而無需開發韌體。
USB-C PD電源要求
USB PD具有一個明顯優勢：消費者可使用相同的電纜和電源轉接器為2.5 W的手機和25 W的無繩電鑽充電，亦即，抽屜裡塞滿了各種不同的電纜，或者永遠找不到正確的充電器的日子已經成為過去。
在瞭解USB PD之前，我們必須回顧以前的USB標準，以瞭解USB PD具備的優勢和挑戰。最初的USB標準——USB 1.1和USB 2.0——是用於傳輸資料而不是傳輸功率。其只允許USB電纜傳輸最高5 V電壓和500 mA電流。
隨著時間推移，消費者開始要求USB提供更多功能。他們想透過USB電纜快速為電池充電，此時500 mA最大電流已經無法滿足要求。BC1.2標準允許透過USB電纜傳輸高達7.5 W功率——5 V電壓和1.5 A電流，該標準滿足了這些消費者的需求。BC1.2標準擴展了透過USB電纜為電池充電的能力，在BC1.2標準之後，每一項新標準都在之前的基礎上增加了功率容量。Type-C 1.3將功率容量擴展到15 W（最大值），而USB PD 3.0使系統功率升級達到100 W（最大值）。其最新的規格更新USB PD3.1將功率容量進一步擴展到了240 W（最大值）。
BC1.2和Type-C 1.3繼續提供以前在所有USB標準中使用的5 V供電軌，但透過將最大電流增加到1.5 A和3 A，將功率容量分別增加到7.5 W和15 W。USB PD3.0同樣提高了電流和電壓容量，使功率容量達到100 W（最大值）。其允許兩個裝置通過USB電纜傳輸高達20 V電壓和5 A電流。新PD3.1規格支援高達48 V電壓和5 A電流。
圖2匯總列出每個USB標準允許的功率容量、最大電流和電壓。
圖2.每個USB規格的功率容量
USB PD電源提供的供電軌是可變的。USB PD 3.1標準規定，電源不僅必須提供最小電壓5 V和最大電壓48 V，還必須提供介於這兩個電壓之間的若干供電軌。
USB PD 3.0標準要求電源根據其功率容量，提供特定的供電軌。能夠提供超過15 W的電源必須提供5 V和9 V供電軌，而能提供超過27 W的電源則必須提供5 V、9 V和15 V供電軌。最後，能夠提供超過45 W的電源必須提供5 V、9 V、15 V和20 V供電軌。
電源也在這些供電軌上提供不同的電流輸出。電源在5 V供電軌上提供500 mA和3 A之間的電流。電源在9 V供電軌上提供1.67 A和3 A之間的電流。電源在15 V供電軌上提供1.8 A和3 A之間的電流。最後，電源在20 V供電軌上提供2.25 A和5 A之間的電流（圖3）。
USB PD 3.1標準為電源增加了三個額外的供電軌。提供28 V、36 V和48 V固定供電軌的電源分別支援高達140 W、180 W和240 W的功率水準。電源必須為這些供電軌提供高達5 A電流。
圖3.USB PD3.0電壓和電流容量
除了標準電壓和電流外，USB PD規格還提供可編程電源(PPS)功能。PPS功能允許線上裝置請求電源提供有少量改變的電壓和電流。
PPS具有非常實用的功能，可透過優化開關充電器的工作點加快鋰電池的充電速度。在充電週期的恆定電流階段，充電器為電池提供固定電流，電池電壓會慢慢增加，直到最終達到充電截止電壓。一般情況下，充電器的輸入是固定的，當充電器的輸入遠大於電池電壓時，就會產生功率損失。PPS功能調整充電器的輸入電壓，使其工作效率盡可能接近峰值效率。此舉使得功耗降低，因此在充電電流增大的情況下可加速電池充電速度。
PPS可以透過USB電纜實現無數種電壓和電流組合。想要使用PPS功能的設計人員必須找到一種方法，使電源和線上裝置就電源應提供的功率量一致。
USB-C PD設計模組
在分立式USB PD系統中開始充電，這並非一項簡單任務。電源（例如牆式電源轉接器）透過USB電纜與線上裝置（例如手機或電鑽）連接。此兩種裝置通常都需要使用多個IC來實現來回通訊，以便為線上裝置提供電源（圖4）。
圖4.USB PD設計框圖
CC接腳檢測IC透過測量CC接腳的電壓來確認電纜的方向和拉電流能力。該IC還需要電源的灌電壓和灌電流能力，並在線上裝置選擇電壓和電流時將資訊返回給電源。
BC1.2檢測IC支援傳統的USB轉接器。雖然更新的裝置更廣泛地採用USB Type-C，但許多應用仍然使用舊的USB規格。BC1.2相容埠採用D+/D-接腳來傳輸電源的功率容量，而不是CC接腳。BC1.2檢測IC讀取D+/D-接腳，為仍然使用傳統USB標準的應用配置充電。
該充電器IC安全有效地為線上裝置的電池充電。電源將為線上裝置、充電器的輸入源提供恆定電壓。然後充電器確保電池充電量已達到充電電壓、電流和溫度規格。
最後，微控制器單元(MCU)模組組織其他IC之間的通訊。MCU與CC接腳檢測IC通訊，確定電源的功率容量。之後，MCU將電源的容量與充電器和電池的功率需求進行比較，確定電源應該提供多少電流和電壓。MCU將最終的功率設定回饋給CC接腳檢測IC，以正確配置電源。一旦確認正確的電流和電壓，MCU將配置並致能充電器。
USB PD所需的元件數量超過傳統USB或標準Type-C設計提供的數量。更多IC導致成本更高，解決方案的尺寸更大。其並需要一個複雜的韌體設計來管理不同元件之間的通訊，並滿足所有USB PD 3.0標準要求。光只是韌體設計一項就可能拉長開發週期，除非設計人員熟知USB規格。
獨立式PD控制器
透過將CC接腳檢測、BC1.2檢測和MCU整合到一個IC中，獨立式PD控制器可協助簡化USB PD設計。四IC設計現在變成雙IC設計，節省了電路板空間和成本。
嵌入式MCU整合了所有USB PD 3.0標準通訊協定和時序要求，是獨立式PD控制器中最強大的部分。設計人員無需再為了跟上這些規格而花費時間進行開發。
獨立PD控制器的一個示例是 MAX77958（圖5）。MAX77958具有兩個獨特功能：非揮發性記憶體和直接控制配套充電器的 I2C 主埠。這兩個功能消除了對外部MCU的需求，也無需開發客製化韌體。
圖5.USB Type-C v1.3和相容PD 3.0的獨立式PD控制器
設計人員可以使用圖形化使用者介面(GUI)為典型應用產生客製化腳本，然後將其載入到IC的非揮發性記憶體中。PD控制器可自動執行指令，例如切換GPIO，或透過 I2C 主埠向充電器發送 I2C 指令等。
客製化腳本是使用簡單、易於使用的命令在GUI中編寫的。該軟體將客製化腳本轉換為十六進位格式，並將其寫入IC配置區域。開發人員可以根據基於其應用需要提供的功能來定義簡單的函數和序列。
圖6顯示了設計人員可以使用的一些客製化腳本編程功能。GUI根據客製化腳本輸出二進位(bin)和十六進位(hex)檔。客製化腳本是一項獨特功能，有助於大大縮短開發時間。
圖6.用戶客製化腳本編程
結論
USB PD規格大幅增加了透過USB電纜充電的電池供電裝置的數量。該規格概述了7項新供電軌要求——5 V、9 V、15 V、20 V、28 V、36 V和48 V——以協助適應廣泛的功率容量。在開始充電之前，電源和線上裝置需要確定電流和電壓位準。
獨立式PD控制器將大多數模組整合到一個IC中，這有助於簡化設計流程。有些甚至無需使用外部MCU和客製化韌體。獨立式PD控制器可協助加速您的設計開發，確保始終領先於USB PD的新趨勢。
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