使用microchip參考設計開發您的下一個基于USB-C PD的充電器

USB Type-C?端口和電纜的普及

自 90 年代早期發展以來，USB 逐漸變得更快、更小、更強大，并且隨著它在現代電子設備和設備中的普及而不斷發展。標準和規范的最新更新導致對USB Type-C或USB-C的需求激增，使其成為在各種計算設備之間移動電源和數據的先驅和標準。

如今，使用USB供電（PD）的基于USB Type-C端口的充電器越來越受歡迎，而不是用于為筆記本電腦，顯示器和平板電腦等設備以及功率范圍從5瓦（W）到100W的智能手機等設備充電或供電的傳統充電器。較新的版本將獲得更高的功率水平，范圍從140-240W。即使是更小、更低功耗的手持設備，如耳機和可穿戴電子設備，也正在轉向基于 USB Type-C 的充電系統，因為 USB-C 具有小尺寸和靈活性。

為了執行傳統的USB功能，客戶不僅需要USB來滿足其數據要求，還需要毫不費力地為其設備供電或充電。在這篇文章中，了解我們高度靈活的USB PD雙端口參考設計，支持USB 3.0，如何實現有效的應用。

USB 的設計優勢

現在需要更高的電壓和功率水平，以滿足USB PD充電器對快速充電和高功耗設備的需求。隨著USB PD相對于傳統充電方法的不斷發展和發展，了解USB PD設計可以克服的不同挑戰非常重要。

USB PD 利用電源規格提供高達 100W 的功率，并通過 USB-C 電纜和連接器支持 9V、15V 和 20V。事實上，USB PD 修訂版 3.1 規范是一項重大改進，允許通過全功能 USB Type-C 電纜和連接器提供高達 240W（48V）的功率?；?USB PD 的充電器為各種電子設備充電或供電的寬功率范圍如下：

我們基于 USB PD 3.0 的參考設計支持高達 100W 的功率，并為客戶提供可擴展性和靈活性，以便根據需要輕松升級。

借助USB PD，連接的設備可以根據電源要求或角色充當電源或電源接收器/負載。這有助于消除對不同設備的不同電源適配器和充電器的需求。例如，由墻上的標準交流電源供電的顯示器可以為筆記本電腦供電/充電;使用USB PD和墻上電源的手機可以在顯示的同時為筆記本電腦供電或充電。這大大提高了便利性，同時減少了電子廢物，這是USB PD設計的共同主題。視頻通信、數據傳輸和電源均使用單個USB終端實現，提供無縫和同步傳輸。

USB 連接中的數據/電源流

USB 連接中有三種不同類型的數據流和電源流。如果我們看一下電源角色，接收器端口是連接下游并從 VBUS 接收電源的端口。通常，電子設備包括灌電流端口。源端口通過 VBUS 供電。壁式充電器是包含源端口的單元的示例。此外，雙角色電源 （DRP） 端口可用作接收器或源，在兩種狀態之間交替使用。一種常見的情況是筆記本電腦，它包含一個DRP端口，用于接收電源為電池充電，同時還能夠提供電源并為外部設備或配件充電。

現在查看數據角色，面向下游的端口 （DFP） 是集線器或主機上的端口，設備通過提供 VBUS 電源（設備和主機之間的路徑）連接到該端口并向下發送數據。塢站是 DFP 的一個示例。面向上游的端口 （UFP） 連接到集線器或主機的 DFP，并在設備上接收數據，通常接收 VBUS。顯示監視器是 UFP 的一個示例。雙重角色數據 （DRD） 端口可以作為 DFP 或 UFP 運行，端口的初始電源角色由首次連接時的角色確定。例如，源端口承擔 DFP 的數據角色，而接收器端口承擔 UFP 的數據角色，但數據角色是動態交換的，就像在具有 DRD 端口的智能手機、筆記本電腦和平板電腦中一樣。

圖 1：USB-C：主機到設備的連接

隨著電子和技術的復雜性不斷進步，USB的標準也在不斷發展。接口計算機和設備的新特性和功能正在穩步引入，以克服可預見的挑戰。例如，USB PD 版本 3.0 規范中定義了快速角色交換 （FRS），以防止集線器及其設備在移除電源時遇到數據通信中斷。發生這種情況時，主機會將其電源角色從接收器更改為源，并且 DRP 集線器開始吸收電源并繼續運行，盡管發生斷電事件。

為了滿足對更高效設備充電日益增長的需求，定義了可編程電源（PPS）標準。在PPS的幫助下，可以根據每10秒交換的數據實時改變電流和電壓。這允許根據設備的充電狀態提供最大功率。這不僅有助于實現更快的充電速度，還有助于降低充電過程中的轉換損耗，從而降低發熱并延長電池壽命。

USB的不同應用

智能手機、平板電腦、筆記本電腦和臺式機是 USB 充電的一些常見應用。然而，汽車的現代化現在需要安裝內置于控制臺中的USB-C端口。每年生產的汽車往往平均有四個端口，每個端口根據所制造的汽車的大小而變化。甚至沒有提到只有充電USB端口的第二排和第三排座椅，汽車為USB Type-C不斷增長的市場量做出了巨大貢獻。我們開發了自己的USB PD設計，可在雙端口模式下提供高達90W的功率，并支持9-18V的汽車應用。

雙端口 USB-C PD 參考設計

我們提供基于 DSPIC33CK128MP505 單核數字信號控制器 （DSC） 的 USB-C PD 參考設計。這種高度靈活的基于軟件的解決方案除了過壓和過流保護等標準功能外，還實現了熱管理和電荷平衡。該設計可為汽車應用支持 9-18V 輸入，在雙端口模式下可提供高達 90W 的功率。我們的綜合解決方案根據最新的 USB 3.0 規范進行了更新，包括一個 MCP16331 降壓穩壓器、一個 MCP1755 LDO、兩個 MCP14700 半橋柵極驅動器和 UPD350B 收發器，為灌電流、拉電流、DRP、FRS 和 PPS 提供全面支持。

圖2.雙端口 USB-C? PD 參考設計

圖3.差異化特性（USB-C PD 參考設計）

結論

在為現代電子設備供電和傳輸數據方面，USB-Type C 因其靈活性和可擴展性而成為每個人的首選。隨著它的普及，我們將繼續看到USB-C端口數量的增加，特別是對于供電（USB PD）應用。我們的成本和性能優化參考設計與dsPIC33控制器的最佳外設和軟件靈活性相結合，可以幫助您進行下一個USB設計，并有助于加速開發。

審核編輯：郭婷