USB Type-C® (USB-C®) 是一种业界通用连接器,支持通过单个接口传输数据和电力,适用于个人电子产品、汽车、工业和企业系统等应用。USB Power Delivery (PD) 是使用 USB-C 连接器来增加 USB-C 接口功能和特性的标准。直到最近,USB PD 3.0 规范才允许高达 100W(20V、5A)的功率双向流动,此功率范围现在称为标准功率范围 (SPR)。最新的 USB PD 3.1 规范通过 USB-C 电缆将功率范围增加至 240W(48V、5A),此功率范围现在称为扩展功率范围 (EPR)。
表 1 展示了 EPR 与 SPR 的比较情况。
功率范围 | 可用电流和电压 | 电力输送曲线范围 | 注释 |
SPR | 3A:5V、9V、15V、20V | 15W-60W | |
EPR | 5A 2:28V、36V、48V | >100W-240W | 需要进入 EPR 模式 |
表 1 SPR 和 EPR 固定电压范围
需要 5A 电缆。
需要 EPR 电缆。
EPR 可支持高达 240W 的功率(28V、36V 和 48V @ 5A)。EPR 模式对接收端评估和响应新的电源端能力消息的要求与典型的 USB PD 合同协商中的要求相同。进入 EPR 模式后,端口开始协商一个最高达 240W(48V、5A)的电力输送对象 (PDO)。在考虑设计安全裕度时,48V 限值代表了实际限值。
除了 EPR 模式下的固定电压电平扩展之外,电源还必须遵循可调电压电源 (AVS) 的规格。在 EPR 模式下,AVS 使接收端能够以 100mV 的步长在 15V 和 48V 之间微调电压,以提高性能和热效率。AVS 还可让接收端灵活接收来自任何充电器的电压,从而避免使用定制适配器,并可在电子生态系统内提供一致的用户体验。
图 1 显示了可编程电源 (PPS) 和 AVS 范围与 SPR 和 EPR 功率级别的关系相关的。虽然 PPS 和 AVS 都具有可编程步长,但它们并不相同且用于不同的用途。AVS 充当恒压电源,并向系统提供稳定的直流电压以提高效率。PPS 具有更小的步长窗口 (20mV),并可以直接为电池充电,绕过连接的设备中的电池充电器。AVS 和 PPS 的主要区别在于:使用 PPS 时,协商的电压将随着时间的推移而不断变化。随着电池充电,所需的 PPS 充电电压将增加。AVS 旨在用作恒定电源,其提供的系统输入电压电平更接近整个系统所需的电压电平。
图 1:电源端所需的 USB PD 3.2 电压
电池供电型产品和下一代解决方案
采用 USB-C 对 Bluetooth® 扬声器和电动工具等便携式电池供电型产品很有利。为这些类型的产品实施 USB-C 后,它们既可以通过 USB-C 端口充电,也可以使用同一端口为连接的设备供电。采用单节或多节电池充电器的产品现在可与 USB-C 或 USB PD 控制器搭配使用,从而使应用能够通过 USB-C 端口提供和接收电源。
图 2 展示了过渡到 USB-C 和 USB PD 的设备的典型架构。
图 2: USB-C 电池供电型产品方框图
为帮助简化电池供电型产品的 USB PD 端口设计,德州仪器的 USB PD 控制器添加了 I2C 主机支持功能来直接控制电池充电器。这种集成式 I2C 主机控制可实现无需外部微控制器 (MCU) 的双芯片解决方案。USB PD 控制器将根据通过 USB PD 端口进行的功率协商情况,通过 I2C 自动更新电池充电器的充电参数。此外,无需开发固件即可将 USB PD 端口添加到电池供电型产品中。TPS25751 和 TPS26750 是用于 USB-C 加电池充电器配对形式的两个 USB PD 控制器。
TPS25751 是 SPR PD 控制器,而 TPS26750 是能够协商完整 240W EPR 的 EPR PD 控制器。表 2 显示了推荐的 USB PD 控制器和电池充电器配对。借助这些配对的参考设计,您可以将设计“复制并粘贴”到您的应用中。
支持的最大功率级别 | 支持的串联电池节数 (S) | 推荐的 USB PD 控制器 | 推荐的电池充电器 | 参考设计 |
100W 接收端 | 1-4 | TPS25751 | BQ25798 | |
100W 接收端 | 1-5 | TPS25751 | BQ25731 | |
100W 接收端 | 1-16 | TPS25751 | BQ25756 | |
240W 接收端 | 1-16 | TPS26750 | BQ25756 |
表 2 USB PD 控制器和电池充电器配对
参考设计
为了支持整个 240W 扩展功率范围,240W USB Type-C PD3.1 EPR 电池充电器参考设计将 TPS26750 与我们的 BQ25756 双向降压/升压充电控制器搭配使用。如图 3 所示,该参考设计将这两个器件组合到同一块印刷电路板上,无需外部 MCU 和自定义固件即可实现双向 240W 解决方案。
图 3: EPR 电池充电器参考设计方框图
该电池充电器参考设计是一种集成式 USB PD 和充电参考设计,适用于电动工具、真空吸尘器、移动式发电站和电动自行车等产品的 7 至 14 节电池。TPS26750 通过简单的 I2C 通信与 BQ25756 配合使用,无需进行固件开发。通过使用 TI USB PD 控制器的应用程序自定义工具,可以轻松地对 TPS26750 进行编程。
该电池充电器参考设计可支持通过符合 USB PD 3.1 规范的输入源以高达 240W 的功率为电池充电,并在 On-The-Go 模式下提供高达 48V、5A 的输出。BQ25756 实现了一个四开关降压/升压充电器,可在降压、降压/升压和升压模式之间转换。高度的集成和简单的设计将降低物料清单成本、缩减尺寸并加快产品上市。
结语
随着近期最大功率范围的增加,USB-C 逐渐成为未来的通用连接器。尽管 USB-C 可能被视为具有挑战性的新技术,但德州仪器解决方案可从软件和硬件两个角度实现集成,从而简化您的设计流程。我们的 USB PD 控制器与电池充电器配对,再结合我们的参考设计,可实现更小的解决方案尺寸并缩短产品上市时间。
其他资源
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