如何从老式USB供电升级到 USB Type-C PD

[导读]过去几年，带电源传输 (PD) 标准的 USB Type-C® 已广泛应用于各种电子产品。这种采用得益于统一端口(减少电子垃圾)、可逆连接器的便利性和高功率能力等优势。

过去几年，带电源传输 (PD) 标准的 USB Type-C® 已广泛应用于各种电子产品。这种采用得益于统一端口(减少电子垃圾)、可逆连接器的便利性和高功率能力等优势。

如表 1所示，最新版本的 USB PD 3.1 将 USB 的功率能力扩展至 240 W，比之前的 USB PD 3.0 规范的 100 W 可用功率增加了一倍以上。这使得各种新应用现在都可以通过 USB 供电。为了减少电子垃圾，欧盟和印度已开始通过立法，要求在 2025 年将个人电子产品强制使用 USB Type-C，预计这一趋势可能会扩展到其他应用，如电动工具、智能扬声器、吸尘器、电动自行车充电器和网络。这些趋势和法规迫使制造商寻找简单而廉价的方法，将其产品上的电源连接器从筒形插孔转换为 USB-C 连接器。

表 1 USB 电源标准，其中最新的 USB PD 3.1 版本将 USB 的功率能力扩展至 240 W。

在此电源技巧中，我们将讨论系统电源注意事项，并演示如何快速轻松地实现 USB-C 连接器和电源管理电路，以根据您的设计的电源要求协商适当的 USB PD 合同。

USB PD 功率流

还值得注意的是，USB PD 生态系统中有三种类型的电力流：只能吸收电力的设备、只能提供电力的设备或允许双向电力流的设备(双重角色电力)。在本文中，我们将重点介绍仅吸收电力的应用。

在使用 USB PD 的接收设备接受来自 USB PD 电源的电力之前，受电设备和电源之间必须进行一些握手和协商。这是因为 USB PD 电源总线上的电压可以从 5 V 到 48 V 变化，具体取决于电源的功率能力。显然，您不会想将 48 V 施加到仅设计为使用 15 V 输入源工作的接收设备上。在 USB PD 接收应用中，需要一个称为端口控制器的专用设备来执行此电源合同协商并提供过流和过压等保护。以前，添加配置了适当功能的 USB PD 端口控制器需要深入了解 USB 认证并投入大量的固件开发工作。为了简化电源架构并降低设计复杂性，预编程 USB PD 控制器允许设计人员通过简单的电阻分压器设置来配置最大和最小电压和电流吸收能力，如图所示表 2.这样就无需外部电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、MCU 或任何类型的固件开发。

表 2预编程 USB PD 控制器的 ADCIN 引脚，允许设计人员通过简单的电阻分压器设置来配置最大和最小电压以及电流吸收能力。

谈判电力合同并匹配系统电力需求

在将您的产品转换为 USB PD 之前，了解 USB PD 生态系统的限制和要求非常重要。在电缆的源端，USB PD 电源将为您的系统供电，但使用您产品的人可以连接任何 USB PD 适配器或其他电源。您需要考虑需要什么样的电源合同才能为您的系统提供全部电力。此外，请考虑如果该适配器提供的电力不足，您的系统将如何表现。

当电压低于 20 V 时，USB Type-C 电缆的可用电流限制为 3 A，当电压高于 20 V 时，电流限制为 5 A。此外，USB PD 电源只需产生在允许的最大电缆电流下提供额定功率所需的最小电压即可。例如，45 W 适配器通常提供 15 V 的最大输出电压，因为 45 W 除以 3 A 等于 15 V。

如果您的系统设计为使用 15 V 电源运行，但需要 50 W 功率，该怎么办?在这种情况下，您需要配置端口控制器以接受更高的电压合同(例如 20 V)，以确保您有足够的功率来运行系统，并且您需要确保您的系统设计为能够处理这种稍高的输入电压。这可能需要您对产品进行轻微修改，而不仅仅是添加 USB Type-C 连接器和端口控制器。此外，通常您仍然希望您的产品在连接到功率容量不足的 USB PD 电源时能够正常工作，但性能水平可能会降低。

设计示例

假设有一款产品需要为 4S-7S 电池充电，充电功率为 27 W，之前通过 15 V 筒式插孔供电。在此示例中，使用了降压或升压转换器，因为电池电压可能高于或低于 15 V 输入，具体取决于充电状态。将此设计转换为 USB PD 输入仅需要一个简单的独立 USB PD 控制器(如TPS25730)和降压-升压电池充电器。图 1显示了系统架构。您可以看到，只需几个组件即可将管形插孔转换为 USB PD 端口。连接到 ADCIN1 至 ADCIN4 引脚的简单电阻器设置电源配置文件，而无需任何固件开发。在这种情况下，即使可用功率降低，产品仍必须从 5 V 电源充电，因此 TPS25730 配置为 20 V 最大电压和 5 V 最小电压，工作电流设置为 3 A。

图 1 27W USB PD 仅接收器充电器参考设计框图。

输入电压动态电源管理

除了支持 USB PD 源输入外，设计还应支持传统的 USB 输入源，例如 5 V 和 2 A。为了避免在输入功率受限时输入电压崩溃，BQ25756E提供了输入电压动态电源管理功能，当输入电压降至参数 Vin_dpm 设定的值时，该功能将降低充电电流。Vin_dpm 应设置为略低于输入电压减去通过电缆和电源路径的电压降，以便它可以最大化电池充电电流，同时不会使输入源过载或在输入总线上造成不稳定。

图 2显示了使用 1 米 USB 电缆(0.25 Ω 电阻)从 5 V、2 A 电源充电的实验结果。将 Vin_dpm 设置为 4.75 V 时，可以看到输入充电电流有限且不稳定(图 2 左侧)。正确配置后，将 Vin_dpm 设置为 4.35 V 以考虑电阻压降，输入电压稳定，充电电流增加 50%，这将显著缩短充电时间。