了解 USB-PD 3.2 规范

随着技术的进步，各种设备、媒体格式和价格实惠的存储都需要更大的带宽来维持用户已经习惯的互动体验。此外，用户应用程序需要个人计算机和这些日益先进的外围设备之间更高效、更快速的连接。USB-PD 3.2 规范满足了这一要求，通过采用更快的传输速度来满足现代应用程序和设备的需求。我们将深入探讨新的可调电压源 (AVS) 要求及其对电源(充电器)和接收器(设备)两侧电源系统的影响。

USB-PD 3.2 的主要更新

AVS 要求和腐蚀缓解是 USB-C 和 USB-PD 规范的主要更新。

在 USB-PD 3.2 中，AVS 对于某些功率输出范围(27-100 W)是必需的。此功能允许充电器调整电压输出以更好地满足设备需求，从而大大提高充电效率。

此外，在最新更新中，USB-TYPEC 规范现在包括检测和减轻液体进入连接器造成的损坏的指南。这两项功能都对接收器和源系统有影响。

USB-PD 电源规则

在 USB-PD 3.2 之前，电源能够提供的所需电压取决于其额定功率。例如，额定功率低于 100 W 的电源可能只需要提供最高 20 V 的电压，而电缆可能会将其限制在 20 V 或更低。此外，所需电流只是设备的额定功率除以提供的电压。

图 1 显示了根据 USB-PD 电源规则 R3.1，具有给定功率额定值的电源必须能够提供的电压。我们可以看到，对于低于 100 W 的功率，只需要四个电压(5、9、15 和 20 V)。

所需电流可以通过将 PDP 额定值除以电压等级来计算。即使电缆可能将电流限制为 3 A，也可以实现 5 A 的最大电流。

图 1：USB-PD R3.1 的电压与额定功率(来源：Waters，D.，2024 年)

USB-PD R3.2 引入了重大变化。虽然所需电流与 R3.1 相同，但标准功率范围 (SPR) 现在需要 AVS。SPR 中有两个 AVS 区域：

· 27 W ≤ PDP ≤ 45 W：电压可在 9 V 至 15 V 之间以 100 mV 为步长进行调整。这意味着电压选项比 R3.1 多 59 个。

· 45 W ≤ PDP ≤ 100 W：电压可在 9 V 至 20 V 之间以 100 mV 为步长进行调整。这意味着电压选项比 R3.1 多 108 个。

AVS 和 PPS

如果我们还考虑可编程电源 (PPS) 选项，如图 2 所示，我们可以看到它现在从最低 5 V 开始(在之前的规范中，它是 3.3 V)，并且它具有与 AVS 不同的步骤(20 mV)。

图 2：带 PPS 的 USB-PD R3.2 的电压与额定功率(来源：Waters，D.，2024 年)

需要注意的是，USB 充电器(电源)可能包含或不包含 PPS。USB-IF 组织认证带有 PPS 的“快速充电器”和不带有 PPS 的普通“充电器”。但是，如果 USB 充电器支持 PPS，则可以轻松添加 AVS。

如果有 PPS，一些充电产品将充电得更快。对于尚未实现 PPS 的充电器来说，AVS 是一个很大的变化。

对源汇系统的影响

总而言之，额定功率在 27 W 和 100 W 之间的电源现在必须实施 AVS，这需要额外的硬件复杂性。对于尚不支持 PPS 的较简单的充电器实施来说，这可能是一个重大变化。

对于多端口充电器，有不同的架构需要考虑(图 4)：

· 保证容量：无论连接的设备是什么，设备都会在其所有端口上始终提供相同水平的电力。

· 共享容量：如果由于任何原因(例如另一个端口需要电源或增强热管理)电源不可用，则 PD 控制器可以强制接收器降低其电源请求。

图 4 显示了多端口充电器的示例。此处，两个端口上可用的总功率小于 60 W。共享算法由实施者决定。每个端口所需的最小功率为 7.5 W。

由于充电器上的充电端口经常利用不足，共享容量充电器越来越受欢迎。利用当前正在使用的端口可以提供更多电量，从而增强用户体验。

在某些温度设置下，例如车载 USB-C 充电，即使是具有保证容量的充电器也可能会偶尔减少可用电量。

图 3：多端口充电器可用的策略(来源：Waters，D.，2024 年)

当然，如果有带 AVS 的充电器，接收器(设备)也可以从更快的充电中受益。但是，它仍然必须设计为与不支持 AVS 的旧充电器配合使用。

某些源应用和接收器应用可能需要特定的 DC/DC 转换器类型，具体取决于其电压需求和功能要求。

USB-C 规定的容差允许电缆源端为 4.75 V。但由于 USB-C 在 VBUS 电流为 3° 时允许 0.75 V 的 IR 压降，因此当标称 VBUS = 5 V 时，接收器可能会看到低至 4.0 V。话虽如此，如果接收器需要的电压低于 4.0 V，则需要降压 DC/DC 转换器。否则，可以使用降压/升压 DC/DC 转换器(如果它提供一些附加功能，例如慢速充电，那就更好了)。

DC/DC 降压和降压/升压转换器也可用于供电应用，但最好使用降压/升压转换器以获得更好的热性能和效率。

腐蚀

液体会腐蚀 USB 连接器，因此是造成故障或损坏的潜在原因。将电缆插头浸入液体中并拔出，然后将电缆插头插入插座，可能会损坏插座。

值得注意的是，从 USB-A 2.0 过渡到 USB-C，引脚间距减少了 6 倍，USB-C 的间距为 0.5 毫米。USB-C 规范现在包括识别和最大限度减少液体损坏影响的说明。

USB-PD 3.2 引入 AVS 为充电器和设备的电源系统设计带来了优势和挑战。AVS 提供了一种通用行为，因为 AVS 允许设备针对特定电压进行设计，因为 USB-PD 3.2 充电器可以提供该电压以实现最佳充电效率。通过将电压输出与设备的需求相匹配，AVS 可以潜在地减少充电过程中的能量损失。

虽然 AVS 可以提高充电效率，但同时也增加了系统的复杂性。了解这些变化对于开发符合最新 USB-PD 规范的产品的工程师来说至关重要。