最佳USB Type-C PD快速充電的解決方案設計

如今的消費者總想隨時隨地都能方便快捷地為其便攜式設備充電，無論是在商務中心還是購物中心，或是在等候航班或火車。但是，充電適配器和連接器類型花樣繁多，到底用哪個充電器常會讓用户感到混亂。如果用户每次都得攜帶多個不同的充電適配器，以便為不同的便攜式設備充電（例如手機、平板電腦和筆記本電腦），那他們很快就會變得頭痛不已（參見圖1）。

與上圖的連接器（例如桶形插頭、USBType-A和Micro-B）相比，USBType-C（也稱為USB-C）連接器具有眾多優勢，如可翻轉插頭、採用USBType-CPD可提供高達100W的功率、雙角色電源功能（可充當接收器或輸入源）以及更高的數據速率。

所有這些優勢正在迅速推動連接器的整合，即在更多的消費類設備中使用USBType-C連接器。USBType-C還可能成為公認的標準連接器（參見圖2）。另外，充電適配器和線纜的重用極大地減少了電子垃圾，這也是它的一大優勢。

對於便攜式電子設備，USBType-C連接器的高功率能力非常重要，因為這意味着設備電池可以更快完成充電。許多便攜式設備以前使用的micro-USB連接器允許的最大功率為7.5W（5V，1.5A），而使用USBType-C，便攜式設備能夠以兩倍的功率為電池充電，即最高功率可達15W（5V，3A）。

不過，即使標準USBType-C電源可以提供高達15W的功率，最終用户也很少能夠通過5V電源充分利用這15W，這主要由兩個原因導致：

1.Type-C線纜的最大往返電阻為250mΩ，而設備的PCB和連接器通常會為其增加約100mΩ的串聯電阻。這意味着，由於IxR壓降，在5V電壓下提供3A電流的15W電源只能為充電器提供最高11.85W（15W-3.15W）的功率。

2.由於單電池的滿電電壓逐年增長，5V電源給充電器IC製造了“淨空限制”問題。假如有一個電池處於恆壓階段的設備，它使用能夠提供15W功率的5VUSBType-C電源以4.4V電壓充電，並具有第一個因素中提到的350mΩ串聯電阻；此時，電源輸出與電池輸入端子之間只能存在0.6V的壓降。這意味着最大可用電流約為1.7A（0.6V/0.350Ω），相當於約7.5W的功率。

要克服此限制，可以降低總串聯電阻或者增加電源的輸出電壓。但串聯電阻很難降低，因此USBPD提供了一種方法將電源輸出電壓提高至20V，從而提供高達100W的功率。

即便存在上述限制，標準15WUSBType-C電源也足以滿足很多便攜式設備的需求。但是，諸如智能手機、平板電腦、無線揚聲器、移動電源和攝像頭之類的設備通常都具有大於3000mAh的電池，因此可以採用USBPD更快地充電。為了提供更高的功率輸出，USBPD適配器可以根據便攜式設備的要求將其輸出電壓提高到5V以上。USBPD適配器可以提供的最大功率通常在15W至100W之間，具體取決於電壓和電流水平。

圖3顯示了USBPD電源功率規則，USBPD標準中也闡述了這些規則，以確保不同PD適配器（源）和設備（接收器）之間的兼容性。根據其額定功率，源輸出電壓必須為5V、9V、15V或20V四個電壓等級，同時允許3A的最大電流。最大電流水平也可以提高到5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標記的線纜以確保安全。

電源功率規則圖

USBType-CPD利用了Type-C連接器的能力，通過增加輸出電壓來提供更高功率，同時仍向後兼容5V以實現通用充電功能。例如，如果接收設備（例如揚聲器）僅需18W功率（9V，2A），則根據電源規則，任何額定功率至少為27W的兼容型USBPD適配器都能滿足其充電需求。這意味着最終用户只需帶備一個USBPD電源，即可為其所有設備充電，從而更加方便而且經濟高效。對製造商而言，這意味着他們不再需要為其產品配備電源適配器，此舉不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環境。

要實現USBType-CPD快速充電，便攜式設備和電源中都需要一個PD控制器IC。PD控制器與PD適配器通信，以確定便攜式設備需要的功率；然後，PD控制器檢查便攜式設備加載狀態和安全故障信息。另外，支持雙角色端口（DRP）的PD控制器允許用户通過其便攜式設備為其他設備充電，例如通過筆記本電腦為手機充電。這樣，便攜式設備又可以用作移動電源，進一步增加了便利性。

充電器IC是實現USBType-CPD快速充電系統的重要組件。設計工程師們尋求的解決方案需要達到以下目標：

●能夠簡化設計，同時實現通用充電功能，即可以採用不同充電配置和高輸入電壓為多種電池供電設備充電

●延長電池的使用時間，充分利用最大的電池容量，以實現最佳用户體驗

●提高充電效率，最大程度降低充電器IC內的功率損耗

●保護電池、系統和輸入適配器免於故障

本文介紹的完整USBPD快速充電參考設計採用了MPS的MP2731。MP2731是一款大電流開關充電器，與USBPD控制器配合使用可以創建整體解決方案（參見圖4）。

圖4：MPSUSBPD快速充電解決方案

該設計使用的USBPD控制器符合最新的USBType-C和PD標準。它具備完整的功能和BOM集成優勢，是便攜式設備的理想之選。

MP2731是一款集成降壓充電器IC，它利用USBPD輸入，可在3.7V至16V的輸入電壓範圍內為單節電池充電。該器件具有集成組件，可實現緊湊型、空間受限電池供電設備（如揚聲器、攝像頭、PoS系統和其他一般應用）的靈活充電。

MP2731還提供了一個I2C接口，可以靈活進行充電配置，並監測充電狀態和故障情況。其超低功耗充電器IC延長了電池的運行時間，從而在不充電時節省了儘可能多的電池電量。為支持Type-C連接器的雙角色端口（DRP）功能，MP2731還提供電池放電功能，以在其輸入端建立電流高達3A的5V穩定電壓。在此模式下，Type-C端口可以作為源端口為外部設備（如智能手機）供電。充電過程和USBOn-the-Go（OTG）操作都可以通過集成的8位模數轉換器（ADC）進行監測（參見表1）。MP2731還提供多種對電池充電和系統操作至關重要的安全保護功能，包括快速充電安全計時器、電池温度監測、過壓保護（OVP）和過流保護（OCP）（參見表1）。

表1：MP2731的充電參數

為實現PD快速充電,MP2731降低了開關充電器內部集成FET的導通電阻RDS(ON)，以提高大電流下的充電器效率。圖5顯示了MPSPD快速充電解決方案的充電效率曲線。

圖5：MPSUSBPD快速充電解決方案的充電效率

F快速充電功能支持大容量電池，便攜式設備可以因此實現越來越多的功能。但便攜式設備又通常需要儘可能小，這推動了對全集成開關充電器的需求。MP2731依賴MPS先進的DrMOS工藝將大多數組件集成到一個超小尺寸的QFN-26（3.5mmx3.5mm）封裝中，從而節約了BOM成本和PCB尺寸。

USBPD快充能夠為廣泛的應用提供快速靈活的充電功能，為最終用户提供便利。本文介紹的所有功能均有助於實現最佳的USBType-CPD快速充電解決方案設計。
編輯：hfy