USB 开发者联盟(UBS-IF)推出的 USB 供电(USB PD)标准最新 3.0 版本将引发电源适配器、移动电源和充电器制造商为笔记本电脑、平板电脑和手机等新消费类设备开发新产品的浪潮。通过 USB Type-C 连接器实现的 USB PD 3.0 可使用最大 20 伏 / 5 安电源,将 USB 接口的额定功率从 7.5 瓦提高到最高 100 瓦。通过引入 USB PD 3.0,使通过 USB Type-C 的电池可快充和为一体式 PC 的供电系统成为可能。
 
随着 USB Type-C 接口标准的推出,全新 USB PD 3.0 标准将得到认可。USB Type-C 标准提供了一种新的连接器 / 插座设计。这种 USB-C 插头可双向插接,更便于用户使用。相比于熟悉的 USB Type-A 连接器,此 USB-C 连接器更小,并能够承载 HDMI,DisplayPort 通信以及 USB 通信(请参见图 1)。
 
关键的是,USB-C 连接器也可与 USB PD 3.0 兼容。因此,电源适配器制造商现在可以生产通过一个采用标准外形和协议的小型双向连接器提供高达 100 瓦功率的电源或充电器。这意味着,消费者将会很快熟悉并理解这项技术,该技术还使得任何 USB-C 设备可进行互操作。
 
这看上去是一个不错的理念。实际上,分析师同样认为在 2016 年至 2021 年期间,采用 USB-C 接口的 USB PD 设备的关键控制器组件市场将实现 89%的年复合增长率。
 
图 1:标准 USB-C 接口可以替代消费类设备中的多个其他接口
 
然而,生产一种单元紧凑、材料成本具有竞争力且具备上述所有优点的功率器件,比系统设计师所想象的更具挑战性。
 
首先,我们可以预见 ,USB-C 和 USB PD 标准将确保不同制造商产品之间的互操作性,有助于维持消费者对 USB 接口作为多种设备充电和供电渠道的信心。实际上,USB 标准本身和与 UBS 并存的标准(例如用于移动设备 Quick Charge 的 Qualcomm®QuickCharge™ 技术)都需要定期修订和更新,以考虑新兴用户需求和新技术功能。Quick Charge 技术最新版本是 4.0 版。这意味着自 v1.0 发布以来已经进行三次重大修改,而且 4.0 版本不可能是最后一次。
 
与此同时,USB PD 3.0 标准本身不仅仅是一个设置用电设备输入电压和电流限制的电源规格,它的作用更多的是关于通信协议,通过这些协议,连接的设备可以建立自己的身份,执行功能以及在任何给定场景中作为供电方或用电方需要扮演的角色。该标准还包括可以产生可变输出功率,适用于多种终端设备的可编程电源相关规定。的。
 
总之,负责设计具有 USB PD 3.0 功能的 USB-C 电源适配器或充电器的工程师通常需要:
 
·达到 USB PD 3.0 规范要求
 
·在设计中提供定期更新范围以考虑规格变化
 
·提供如可编程电源和支持 Quick Charge 技术的理想功能
 
分立实现的缺点
 
一个能够满足上述要求的 USB-C PD3.0 系统具有一定的功能要求,其中的一些要求将分别通过硬件和软件实现。
 
硬件功能包括:
 
·USB PD 电源控制器
 
·电压调节器,从而为电源控制器和其他有源组件供电
 
·一个高压 P - MOSFET,根据来自 USB PD 功率控制器的脉宽调制信号向用电设备供电
 
·驱动 MOSFET 的高压门极驱动器
 
·USB-C 标准中规定的配置通道(CC)上的短路保护。 CC 总线用于传送 PD 协议信号。
 
·输入电源总线(VBUS)上的过电流保护
 
·静电放电保护
 
在软件中,电源适配器需要实现 USB-C 和 USB PD3?6?7?6?7.0 协议并在必要时兼容 Quick Charge 协议。
 
通过使用多个分立组件,可以实现上述硬件和软件功能:通常通过一个微控制器执行系统控制和电源控制功能并运行协议软件,此外还有分立 MOSFET、栅极驱动器以及过流、过压和静电放电保护组件。
 
以这种方式通过使用多个分立元件来实现 USB-C 电源适配器,移动电源或充电器具有以下缺点:
 
·需要很多组件
 
·多个组件在电路板上的占用面积较大,使 PCB 变得更大、更复杂和更昂贵
 
·由多个固定功能硬件组件组成的系统不具有灵活性,因此更加难以根据规格或用户要求的变化实现快速更新设计
 
为简化和降低成本而集成
 
为了避免产生这些缺陷,赛普拉斯半导体在 2017 年上半年推出了用于 USB-C 的 CCG3PA 高集成电力传输控制器。在 CCG3PA 中,除了高压电源开关之外,其他硬件功能被集成到一个芯片系统中。 赛普拉斯提供 USB-C、USB PD 3.0 和 Quick Charge 4.0 协议栈,且该软件在带有同时读写功能的 64kB 闪存支持的 ARM®Cortex®-M0 处理器内核上运行,因此更便于进行应用固件升级,保持互操作性。 CCG3PA 在出厂时已通过符合 USB PD 3.0 标准的认证。该芯片还经过 Quick Charge 4.0、3.0 和 2.0 认证。
 
如图 2 所示,CCG3PA 具有高集成度,与通过使用分立组件实现的功能等效系统相比,具有组件数量更少、电路板占位面积更小、电路板布局更简单以及材料成本和 PCB 成本更低的优势。
 
图 2:CCG3PA 电源控制器如何实现 BoM 集成
 
这些适用于整个产品生命周期的系统级优势十分重要,但在设计周期中还有一点非常重要:CCG3PA 得到了一套完整全面开发资源的支持,与使用分立组件的普通开发流程相比,可大幅缩短产品上市时间。这些资源包括:
 
·用于 45W USB-C 笔记本电源适配器以及最大功率为 27W 的移动设备充电器的独立参考设计。这两种参考设计均带有包含电路原理图的文件。
 
·综合全面的 CCG3PA 评估套件(部件号 CY4532),包含一个 USB-C 受电或充电端口和一个 USB Type-A 充电端口。该评估套件可用于为笔记本电脑、手机和其他 USB 设备供电和充电以及并为单或双电池 USB-C 移动电源充电。
 
这些参考设计和评估板共同为许多终端产品设计提供了先进的蓝图,只需进行少量修改就能满足特定的客户需求。
 
结论
 
CCG3PA 采用 24 引脚 QFN 或 16 引脚 SOIC 封装,是一款适用于符合 USB PD 3.0 标准的 USB-C 上的紧凑型系统级芯片,只需添加外部 MOSFET 和 AC-DC 转换器即可成为一个符合最新 USB 供电标准的完整离线电源适配器 / 充电器。
 
CCG3PA 适配器和充电器综合解决方案提供适用于多个终端设备的可编程电源,并支持 Qualcomm Quick Charge 充电技术。与使用分立元件的任何技术相比,可节省开发时间、BoM 成本和空间。