USB-PD：组件与系统设计

已创建：July 10, 2020
已更新：July 1, 2024

是否曾经好奇为什么使用旧的墙壁充电器给手机充电需要几个小时，而连接到新款墙壁充电器时却能迅速充满电？如果你是一名电子设计师，你就会知道问题所在：旧的墙壁充电器输出电流太低，无法在合理的时间内为你的电池充满电。新款手机是电力饥渴的怪兽，需要更多的电流才能快速充满电。

USB自1996年以来一直存在，但是新型的USB-PD通过Type C连接器允许向移动设备传输更高的电力，从而实现更快的充电。USB-PD甚至允许双向电力交换，所以你的手机理论上可以为你的笔记本电脑供电。以下是你在设计支持USB-PD的下一款产品时需要的一些组件。

USB-PD标准

USB-PD的核心理念很简单：通过更高的电压向连接的设备传输更多的电流，从而更快地为电池充电。USB-PD标准（当前版本为Rev. 3.0）允许设备之间通过USB Type C连接器传输高达100W的电力，电压/电流可达20V/5A。然而，这是在接收设备能够承受如此多的电压/电流的前提下。这些指导方针中的数字是为了给需要通过圆柱形连接器接收足够电力的笔记本电脑、平板电脑和其他设备充电而设定的。仅供参考，我的1岁的笔记本电脑需要一个19.5V/3.3A的直流电源供电以进行充电，这在USB-PD协议的范围内。

USB-PD通过USB Type-C电缆传输电力，旨在对供应商无关。换句话说，USB-PD标准旨在为产品设计师提供一种通用的充电解决方案，适用于多种产品。尽管如此，高通和三星分别为其移动电话开发了一些专有的充电技术（快速充电和自适应快速充电），但USB-PD仍然可以与这些和其他移动设备，或者你的新物联网/移动设备一起使用。

下表显示了不同功率级别的标准化电压水平。你选择的组件应该满足这些特定的输出电压和电流范围，以符合USB-PD标准。

请注意，USB-PD标准只是一个建议，而不是要求。例如，最近的苹果iPhone以14.5V/2A（29W）充电，使其与上表的15V部分兼容。

USB-PD的组件

因为不同的产品需要不同的电压和电流，充电主机需要与连接的设备协商，确定提供正确的电压/电流。组件需要提供以下功能：

电缆连接、电缆方向和电缆角色检测
与5V的旧设备兼容
如果需要，通过标准的+D和-D引脚提供数据传输
在特定电压水平之间切换
定义的功能（双角色、源或汇）

一些系统将需要多个USB-PD电源开关和/或复用器，以向多个下游设备提供电源输出。还需要其他电源系统组件，例如用于输入/输出电源调节和过电流抑制。最后一点很重要，因为它使USB-PD（双角色模式）的双向性成为可能；这是使用专用的USB-PD控制器来协商设备之间的电源传输的地方。以下是任何USB-PD充电系统的一些基本组件示例。

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

ON Semiconductor的FUSB302BMPX是一个电源开关，根据USB-PD规范，输出功率可达满额的100W。该组件在Rev. 2.0下发布，但它仍与新的Rev 3.0设备兼容，并且仍在积极生产中。该组件在USB-PD的笔记本电脑、手机、便携式电池供电充电单元和相机等应用中享有盛誉。

来自FUSB302BMPX数据手册的USB-PD电源控制器方框图。

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

NXP Semiconductors的PTN5100DBSMP是一个与USB-PD兼容的单Type-C USB端口的PHY接口。这个IC包括一个LDO，以支持下游设备的死电池条件。这个IC也可以配置为接收设备的输入PHY层，或者可以设置为双角色。配置通过SPI接口进行，状态更新通过I2C提供。这个IC还为下游电源传输的PMOS功率MOSFET提供门控信号。

来自PTN5100DBSMP数据手册的功能方框图。 (Alt text: 来自TPS65982数据手册的USB-PD方框图) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

德州仪器的TPS65982是一个集USB-PD电源开关、控制器和多路复用器于一体的单元。其他组件将重要功能分散到不同的集成电路中，这使得该组件在带有USB-PD的产品中具有巨大优势。该设备包括一个USB PHY层、3.3V LDO输出以支持无电池启动，以及5V/3A开关至Type-C电源的VBUS。它可以输出高达20V/3A，使其与现代移动设备兼容。德州仪器无疑是这些组件的当前领导者，唯一的缺点是有限的60W功率输出。