如何通過最少的編程工作將 USB-C 設備的傳輸功率迅速提升到 100 W

作者：Jens Wallmann

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

隨著通用串行總線 Type-C (USB-C) 端口越來越普遍，許多用戶都依賴這種端口為各種連接設備提供更高水平的電源。不過，USB-C 規范將“僅限 Type-C”設備的基本電源限制為最大 15 W（5 V，3 A）。

為了突破這一限制，設計人員可以增加 USB 功率輸送 (PD) 功能，并構建一個能在標準功率范圍 (SPR) 內提供高達 100 W (20 V, 5 A) 功率的 Type-C PD 設備?，F在，開發人員不必再費盡心力地針對全面的 USB PD 協議進行編程，而是能夠輕松地配置現成的 PD 控制器，并為 AC/DC 充電器、電流控制 USB 端口添加定制和優化型 PD 功能。

本文概述了 PD 系統的核心要求。然后介紹 [onsemi]的 [FUSB15101MNTWG] PD 控制器，并展示如何使用評估板、開發軟件、編程/調試適配器和 PD 協議分析儀對預編程控制器固件開啟快速配置。

具有協議控制式功率調節功能的開關轉換器

曾幾何時，用于電池供電型設備的壁插式模擬充電器只有兩個組件：變壓器和整流器?，F在，要同時滿足更高能效、更高靈活性和不斷小型化方面的需求，使得為簡單的電子設備供電成為一項復雜的工作。如今，基于微控制器的開關轉換器必須通過復雜的協議與所連接的智能負載以動態形式協商輸出功率。

USB PD 就是這樣一種協議。在該協議的 3.1 版中，通過智能 USB Type-C 電子標記電纜組件 (EMCA) 連接電纜協調高達 240 W 的電源線路功率，同時還保持了能夠兼容舊版 USB 標準的向后兼容性。然而，通過 24 針 USB-C 連接器對動態 PD 功率傳輸的控制遠遠超出了傳統四線 USB 接口數據線上的靜態控制電壓。

USB PD 設備可作為面向下游端口 (DFP) 的電源、面向上游端口 (UFP) 的用電器（或“受電設備”）或以雙重角色端口 (DRP) 模式運行。PD 源設備在內部將上拉電阻器切換到兩路控制線（CC1 和 CC2）上；PD 受電設備通過內部下拉電阻進行自身識別。

兩條 CC 線路同時用于以 300 kHz 的時鐘頻率傳輸長度達 356 位的 PD 信息（圖 1）。較短的控制信息可協調兩個端口合作伙伴之間的信息流，而較長的數據信息則用于協商電源并控制內置自檢 (BIST) 或傳輸具體的 OEM 內容。

圖 1：PD 信息結構的動態長度可達 356 位。（圖片來源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供）

PD 設備之間的功率協商

USB PD 3.0 SPR 定義了 5 V 至 20 V 之間的幾個固定電壓等級，并且僅支持最高 100 W 的靜態功率曲線。利用可編程電源 (PPS) 的擴展功能，USB 受電設備可根據自身需要，以 20 mV 為增量，實時請求 USB 電源提供 3 V 至 21 V 之間的電壓。

因此，PPS 簡化了移動設備中的開關轉換器電子元件，從而減少了熱損耗，并通過優化功率匹配加快了充電速度。USB PD 3.1 定義了最大 240 W 的擴展功率范圍 (EPR)，并使用可調電壓電源 (AVS) 在 15 V 至 48 V 之間的更高范圍內調節總線電壓。

由于 3 A 電流已超過普通 USB 電纜的載流能力，因此必須按照 USB 實施者論壇 (USB-IF) 的規定使用 EMCA 特種電纜。這些電纜的特點是導線橫截面更大和電纜絕緣層更厚。電纜插頭中的 E-Marker 芯片可通過 PD 協議確認這些強經過化的電纜功能。這樣，這些芯片就會影響源設備和接收設備之間的功率協商。

PD 通信使用特殊的 K 碼來描述信息。表示序列開始的特殊 K 碼序列稱為數據包起始碼 (SOP)。在特殊 K 碼中定義了三個序列：SOP、SOP'和 SOP''，這樣 DFP（如 PD 網絡充電適配器等電源）就可以作為啟動器與 EMCA 電纜連接器中的兩個 E-Marker 芯片中的任何一個進行通信，也可以與 UFP（USB 電源插座）進行通信。

圖 2 中的流程圖顯示了通過 EMCA 電纜連接的兩個 PD 設備之間成功進行功率協商期間的信息交換情況。

圖 2：兩個 USB PD 設備通過 EMCA 電纜成功進行電源協商。注：Rqt = 請求；Ack = 確認。（圖片來源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供）

用配置取代程序

PD 協議復雜，給開發人員帶來了艱巨的編程工作。更快捷的方法是配置具有自定義功能的預編程 USB PD 控制器。這種控制器的的例子有 Onsemi 的 FUSB15101MNTWG。這是一款高度集成的 USB PD 3.1 控制器，可通過光耦合器控制 AC/DC 適配器的初級側開關穩壓器，或直接控制 DC/DC 端口電流調節器。

這種一體化解決方案通過優化硬件外設最大限度地降低了電路復雜性，具體外設包括數模和模數轉換器、NTC 溫度傳感和 NMOS 柵極驅動器。帶有應用程序接口 (API) 的開源固件和基于 Eclipse 的集成開發環境 (IDE) 為編程工作帶來了便利。

FUSB15101 集成了帶有 UART 接口的高效 [Arm?]Cortex? M0+ 處理器，且支持 PPS 規范，可將輸出電壓調節為 3.3 V 至 21 V。該器件提供可編程恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調節功能，并可對電纜損耗進行補償。此外，還具有過壓、欠壓、過流和過熱保護功能，以及在 USB-C 連接器引腳上配備了過壓保護二極管。PD 控制器支持向 EMCA 電纜中的 E-Marker 芯片提供 VCONN 電源，其空閑和睡眠模式符合合格證 (CoC) 和實驗設計 (DOE) 要求。

典型應用：

• 符合 USB PD 標準的 AC/DC 適配器（見應用 1）
• 符合 USB PD 標準的 DC/DC 端口（見應用 2）

應用 1：AC/DC 開關電源具有 USB PD 輸出

在此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器通過光耦合器控制 AC/DC 開關電源初級側的 [NCP1345Q02D1R2G] 準諧振 (QR) 反激式開關穩壓器。NCP1345 把變壓器輔助繞組提供的 9 V 至 38 V 電壓作為工作電壓，同時通過第二個輔助繞組產生四倍高的電壓，以便在 USB 輸出電壓低至 3.3 V 時為 MOSFET 提供足夠的開關電壓。在次級側，[NCP4307AASNT1G]控制器控制同步整流。將這三個集成電路組合在一起，就能產生一個在不同 PD 功率曲線下，效率始終保持在 90% 左右的“換檔”電源。

圖 3 顯示了基于三個集成電路的 USB-C PD 3.0 PPS 主充電器的主電路圖，其輸出功率為 65 W (20 V/3.25 A)。

圖 3：在這個 USB PD 壁插式充電器解決方案中，FUSB15101 通過光耦合器控制 AC/DC 開關電源初級側的 NCP1345 QR 反激式開關穩壓器。（圖片來源：Onsemi）

編程人員可使用 onsemi 的 [NCP1342PD65WGEVB]評估板（如圖 4 所示）啟動其 USB PD 電源應用。

圖 4：使用 NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 壁插式充電器評估板，編程人員可以立即開始工作。（圖片來源：Onsemi）

該電路板的存儲扼流圈由緊湊的 RM8 變壓器組成，可提供 60 W (20 V/3 A) 的輸出功率。[NCP1342BMDCDD1R2G] 準諧振反激式開關穩壓器僅靠一個輔助繞組提供的 9 V 至 28 V 的電壓工作。該器件適用于開發高性能離線電源轉換器和 USB PD 適配器，具有快速頻率折返 (RFF) 功能，這有助于在整個負載范圍內實現效率。集成的有源 X2 放電電容器消除了對放電電阻的需求，并能使空載功耗低于 40 mW。

應用 2：用于 USB PD 端口的 DC/DC 電流控制器

在此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器驅動 [NCV81599MWTXG] 四級降壓/升壓、升壓/降壓 DC/DC 轉換器控制器。這樣，原本只能輸出 15 W 功率的 USB-C 端口就可擴展為 PD 電源，提供超過 60 W 的功率并通過器件內部的直流電源或電池供電（圖 5）。

圖 5：在該 DC/DC 端口電流控制器應用中，FUSB15101 直接控制四級 DC/DC 轉換器控制器 NCV81599。（圖片來源：Onsemi）

通過使用 [FUSB3307MPX-PPS-GEVB]評估板，開發人員可以節省時間，立即開始使用 NCV81599 進行測試和編程。此 DC/DC 電流調節器電路將 USB 端口轉換為 PD 3.0 PPS 電流源，同時在總線電壓為 3.3 V 至 21 V 時提供高達 5 A 電流輸出（圖 6）。該電路可檢測 E-Marker 電纜，既能獨立運行，也可連接測試設備。

圖 6：FUSB3307MPX-PPS-GEVB 是 NCV81599 的評估板，可將 USB 端口轉化為 PD 3.0 PPS 電源。（圖片來源：Onsemi）

DC 電源或電池向 FUSB3307 板的 VBAT 輸入提供 4.5 V 至 32 V 電壓。該電路可應對恒壓 (CV) 或恒流 (CC) 規范，并具有過壓、欠壓、短路、過熱和電纜故障保護功能。

對 FUSB15101 進行編程

FUSB15010 [固件]是一款高度優化型 Type-C PD 控制器驅動器，支持集成的 Arm Cortex M0+ 處理器。該固件可靈活處理新的 PD 信息和額外的 Type-C 狀態流。以模塊化方式組織代碼，將應用源代碼、硬件抽象層、平臺相關代碼和 USB Type-C PD 核心功能分離。

PD 核心功能可通過項目構建選項或通過修改供應商信息文件 "vif_info.h" 進行配置。代碼庫包括一個可使用 IDE 編譯的 Eclipse 示例項目，從而加快了評估 Type-C PD 獨立控制器的啟動速度。

表 1 概述了由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件；PDO 是電源交付對象。

| | 特性 | 支持的類型 | 固件 |
| ---------------------- | ---------------------- | ------------------------ |
| Type-C | 源 | 是 |
| PD | 提供者 | 是 |
| 公布的 PDO | PDO 類型 | 描述 |
| PDO 1 | 恒定 | 5 V / 3 A |
| PDO 2 | 恒定 | 9 V / 3 A |
| PDO 3 | 恒定 | 12 V / 3 A |
| PDO 4 | 恒定 | 15 V / 3 A |
| PDO 5 | 恒定 | 20 V / 3.25 A |
| PDO 6 | 增強型 | 3.3 V 至 21 V / 3.25 A |

表 1：所示為由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件。（表格來源：Onsemi）

如前所述，充電配置文件的參數可以在 "vif_info.h "文件中輕松修改。以下代碼顯示了如何將 PDO 4 中的最大電流從 20 V/3 A 改為 20 V/3.25 A：

當前的 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 300 // 3.00 A

新 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3.25 A

有關安裝 IDE 以及固件導入和編譯二進制文件的更多詳情和說明，請參閱 FUSB15101EVBSPG 指南。

UM70086-D 用戶手冊介紹了編程工具的安裝和一次性閃存的操作步驟。[Segger Microcontroller Systems] 的 [8.08.91 J-LINK EDU MINI] 是一款合適的 Arm Cortex-M 編程和調試適配器，可促進開發工作。

檢查 PD 通信

要驗證兩個 USB PD 設備之間的通信，開發人員可以使用 [Infineon Technologies]的 [CY4500] 協議分析儀，該分析儀支持 USB PD 3.0 和 USB-C 規范。該分析儀可執行非侵入式測試，并準確捕捉 CC 線路上的協議信息。相關的 EZ-PD 分析軟件詳細列出了兩個 USB PD 設備和一條 EMCA 電纜之間所有的對話信息（圖 7）。

圖 7：EZ-PD 分析軟件通過 CC 線路跟蹤兩個 USB PD 設備之間的對話。（圖片來源： Infineon Technologies）

結束語

對調節設計以滿足終端用戶設備日益增長的電源需求來說，雖然了解 USB PD 協議的基本原理非常重要，但這是一個復雜的協議，可能需要大量的編程工作。為了節省時間，開發人員可以使用預編程、高度集成的 USB PD 控制器，將 USB-C 的 15 W 功率提升到 100 W 以上。AC/DC USB 充電器以及 DC/DC USB 端口只需配置 PD 控制器，即可增強定制 PD 功能。利用評估板和 PD 協議分析儀可促進開發過程。