USB Type-C 和 USB Power Delivery: 專(zhuān)為擴展功率范圍和電池供電型系統而設計
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USB Type-C? (USB-C?) 是一種業(yè)界通用連接器，支持通過(guò)單個(gè)接口傳輸數據和電力，適用于個(gè)人電子產(chǎn)品、汽車(chē)、工業(yè)和企業(yè)系統等應用。USB Power Delivery (PD) 是使用 USB-C 連接器來(lái)增加 USB-C 接口功能和特性的標準。直到最近，USB PD 3.0 規范才允許高達 100W（20V、5A）的功率雙向流動(dòng)，此功率范圍現在稱(chēng)為標準功率范圍 (SPR)。最新的 USB PD 3.1 規范通過(guò) USB-C 電纜將功率范圍增加至 240W（48V、5A），此功率范圍現在稱(chēng)為擴展功率范圍 (EPR)。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202411/464889.htm表1展示了EPR與SPR的比較情況。
表1 SPR和EPR固定電壓范圍
1.需要5A電纜。
2.需要EPR電纜。
EPR 可支持高達 240W 的功率（28V、36V 和 48V @ 5A）。EPR 模式對接收端評估和響應新的電源端能力消息的要求與典型的 USB PD 合同協(xié)商中的要求相同。進(jìn)入 EPR 模式后，端口開(kāi)始協(xié)商一個(gè)最高達 240W（48V、5A）的電力輸送對象 (PDO)。在考慮設計安全裕度時(shí)，48V 限值代表了實(shí)際限值。
除了 EPR 模式下的固定電壓電平擴展之外，電源還必須遵循可調電壓電源 (AVS) 的規格。在 EPR 模式下，AVS 使接收端能夠以 100mV 的步長(cháng)在 15V 和 48V 之間微調電壓，以提高性能和熱效率。AVS 還可讓接收端靈活接收來(lái)自任何充電器的電壓，從而避免使用定制適配器，并可在電子生態(tài)系統內提供一致的用戶(hù)體驗。
圖 1 顯示了可編程電源 (PPS) 和 AVS 范圍與 SPR 和 EPR 功率級別的關(guān)系相關(guān)的。雖然 PPS 和 AVS 都具有可編程步長(cháng)，但它們并不相同且用于不同的用途。AVS 充當恒壓電源，并向系統提供穩定的直流電壓以提高效率。PPS 具有更小的步長(cháng)窗口 (20mV)，并可以直接為電池充電，繞過(guò)連接的設備中的電池充電器。AVS 和 PPS 的主要區別在于：使用 PPS 時(shí)，協(xié)商的電壓將隨著(zhù)時(shí)間的推移而不斷變化。隨著(zhù)電池充電，所需的 PPS 充電電壓將增加。AVS 旨在用作恒定電源，其提供的系統輸入電壓電平更接近整個(gè)系統所需的電壓電平。
圖1 電源端所需的USB PD 3.2電壓
電池供電型產(chǎn)品和下一代解決方案
采用 USB-C 對 Bluetooth?揚聲器和電動(dòng)工具等便攜式電池供電型產(chǎn)品很有利。為這些類(lèi)型的產(chǎn)品實(shí)施 USB-C 后，它們既可以通過(guò) USB-C 端口充電，也可以使用同一端口為連接的設備供電。采用單節或多節電池充電器的產(chǎn)品現在可與 USB-C 或 USB PD 控制器搭配使用，從而使應用能夠通過(guò) USB-C 端口提供和接收電源。
圖2展示了過(guò)渡到USB-C和USB PD的設備的典型架構。
圖2 USB-C電池供電型產(chǎn)品方框圖
為幫助簡(jiǎn)化電池供電型產(chǎn)品的 USB PD 端口設計，德州儀器的 USB PD 控制器添加了 I2C 主機支持功能來(lái)直接控制電池充電器。這種集成式 I2C 主機控制可實(shí)現無(wú)需外部微控制器 (MCU) 的雙芯片解決方案。USB PD 控制器將根據通過(guò) USB PD 端口進(jìn)行的功率協(xié)商情況，通過(guò) I2C 自動(dòng)更新電池充電器的充電參數。此外，無(wú)需開(kāi)發(fā)固件即可將 USB PD 端口添加到電池供電型產(chǎn)品中。TPS25751 和 TPS26750 是用于 USB-C 加電池充電器配對形式的兩個(gè) USB PD 控制器。
TPS25751 是 SPR PD 控制器，而 TPS26750 是能夠協(xié)商完整 240W EPR 的 EPR PD 控制器。表 2 顯示了推薦的 USB PD 控制器和電池充電器配對。借助這些配對的參考設計，您可以將設計“復制并粘貼”到您的應用中。
表2 USB PD控制器和電池充電器配對
支持的最大功率級別 | 支持的串聯(lián)電池節數 (S) | 推薦的 USB PD 控制器 | 推薦的電池充電器 | 參考設計 |
100W接收端 45W電源端 | 1-4 | TPS25751 | BQ25798 | 適用于2至4節電池的集成 USB Type-C? Power Delivery(PD)和充電參考設計 |
100W接收端 100W電源端 | 1-5 | TPS25751 | BQ25731 | 適用于1至5節電池的集成 USB Type-C? PD 雙向充電參考設計 |
100W接收端 100W電源端 | 1-16 | TPS25751 | BQ25756 | 100W集成USB Type-C? PD雙向充電器參考設計 |
240W接收端 240W電源端 | 1-16 | TPS26750 | BQ25756 | 240W USB Type-C PD3.1 EPR電池充電器參考設計 |
參考設計
為了支持整個(gè) 240W 擴展功率范圍，240W USB Type-C PD3.1 EPR 電池充電器參考設計將 TPS26750 與我們的 BQ25756 雙向降壓/升壓充電控制器搭配使用。如圖 3 所示，該參考設計將這兩個(gè)器件組合到同一塊印刷電路板上，無(wú)需外部 MCU 和自定義固件即可實(shí)現雙向 240W 解決方案。
圖3 EPR電池充電器參考設計方框圖
該電池充電器參考設計是一種集成式 USB PD 和充電參考設計，適用于電動(dòng)工具、真空吸塵器、移動(dòng)式發(fā)電站和電動(dòng)自行車(chē)等產(chǎn)品的 7 至 14 節電池。TPS26750 通過(guò)簡(jiǎn)單的 I2C 通信與 BQ25756 配合使用，無(wú)需進(jìn)行固件開(kāi)發(fā)。通過(guò)使用 TI USB PD 控制器的應用程序自定義工具，可以輕松地對 TPS26750 進(jìn)行編程。
該電池充電器參考設計可支持通過(guò)符合 USB PD 3.1 規范的輸入源以高達 240W 的功率為電池充電，并在 On-The-Go 模式下提供高達 48V、5A 的輸出。BQ25756 實(shí)現了一個(gè)四開(kāi)關(guān)降壓/升壓充電器，可在降壓、降壓/升壓和升壓模式之間轉換。高度的集成和簡(jiǎn)單的設計將降低物料清單成本、縮減尺寸并加快產(chǎn)品上市。
結語(yǔ)
隨著(zhù)近期最大功率范圍的增加，USB-C 逐漸成為未來(lái)的通用連接器。盡管 USB-C 可能被視為具有挑戰性的新技術(shù)，但德州儀器解決方案可從軟件和硬件兩個(gè)角度實(shí)現集成，從而簡(jiǎn)化您的設計流程。我們的 USB PD 控制器與電池充電器配對，再結合我們的參考設計，可實(shí)現更小的解決方案尺寸并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
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