USB Type-C充電連接器：設計、優化和互操作性

2022年6月，歐盟議會批準了一項新指令，要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業帶來影響，包括手機、數碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內，但在2026 年之前，制造商還不需要遵守該項規定。到2027 年，歐盟議會計劃在這項規定中增加更多的設備；然后，每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。

歐盟頒布通用充電器指令

2022年6月，歐盟議會批準了一項新指令，要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業帶來影響，包括手機、數碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內，但在2026 年之前，制造商還不需要遵守該項規定。到2027 年，歐盟議會計劃在這項規定中增加更多的設備；然后，每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。

隨著這項指令開始生效，制造商需提供不帶充電適配器的產品包裝版本，也可選擇提供原裝充電器版本。這樣，如果消費者已經有 USB Type-C 充電線和充電器時，他們可以購買不帶新充電器的產品版本，從而節省資金并減少電子垃圾。據估計，這項規定每年可減少多達2200 萬磅的電子垃圾。

本文將討論 USB Type-C 連接器的工作原理、定義方式及其典型應用，同時以 MPS 產品為例，重點介紹如何優化 USB Type-C 連接器。

USB Type-C連接器

USB Type-C（也稱為 USB-C）規范發布于 2014 年。這種連接器因優于 USB Type-A 等舊的USB 連接器而迅速流行起來。它支持正反插，即在插入端口時不需要關注方向，而且它們比傳統連接器更加小巧（見圖 1）。 更重要的是，USB Type-C 連接器可以處理更高的功率，這意味著它可以適用于更廣泛的便攜式應用。

圖 1：USB Type-A 與 USB Type-C 連接器

USB Type-C電源檢測

USB Type-C 連接器有特定的電源檢測和協商接口。USB Type-A電源持續輸出5V電壓，而USB Type-C 電源則通常處于關閉狀態，只有當用戶將 USB Type-C 電纜插入設備時，電源才打開。這是因為 USB Type-C 連接器通過單獨的配置通道 (CC) 引腳提供檢測功能，只有在檢測到電纜兩端的連接時才打開電源。

此外，CC 引腳還提供電流水平檢測功能，并實現電源（供電端）和耗電端（接收端）之間的角色定位。這項功能使USB Type-C 產品能夠兼容傳統 的5V USB 產品；與此同時，還能利用 CC 引腳進行功率協商，通過USB 供電 (USB PD) 協議實現更高功率的檢測。

圖 2 顯示了 USB Type-C 電源檢測的基本原理。

圖 2：CC 引腳上的 USB Type-C 配置通道

USB Type-C 功率級別

如前所述，USB Type-C 連接器功能非常強大，它支持各種新標準，例如 USB PD、USB 3.1 和 DisplayPort。舊版本的 USB 連接器只能單向提供最高 7.5W 的功率，USB Type-C 則可以通過標準電纜和最少的附加電路支持高達 15W 的單向和雙向應用，以及兼容USB PD并高于15W的應用。

標準功率范圍 (SPR) 的 USB PD 可在 100W 功率時支持高達 20V 的電壓。USB PD 規范最近更新的擴展功率范圍 (EPR)更可以提供高達 240W 的功率。此外，USB PD 允許雙向功率流動，這意味著設備可以提供或者接收功率；不像單向連接器，例如 micro-B USB，只能接收功率。廣泛的功率傳輸范圍意味著帶PD功能的 USB Type-C 既可以輕松為智能手機充電，又可以為筆記本電腦充電。（不過，并非所有 USB Type-C 都支持 USB PD，本文將在后面進行更詳細的討論。）

表 1 顯示了USB Type-C不同操作模式下的功率級別。

表 1：USB Type-C 連接器的功率輸出

USB 供電 (USB PD)

如前所述，USB PD 可以提供高達 240W 的功率，并且支持雙向操作，這意味著它可以提供或者接收功率。非PD的USB Type-C源可以提供最高 15W 的功率 (5V/3A)，而 USB PD 源可以提供超過 5V的電壓，因此功率也超過 15W。功率傳輸提高意味著 USB PD 可以比傳統連接器更快地為設備充電。此外，USB PD 還指定了供電端和接收端的電壓和電流容限。

支持 USB PD 的產品需要兩顆額外的芯片，即PD 控制器，一顆芯片在電源中（供電端），另一顆在便攜式設備中（接收端）。產品利用兩顆芯片的 CC 線通過電纜進行通信。供電端傳達它可以支持的電壓和電流，而接收端（例如揚聲器或手機）則傳達它需要的電壓和電流。供電端相應調整其輸出電壓，以確保將最佳電壓和電流量輸送到接收端。由于這兩顆芯片增加了成本，因此USB PD 通常不會用于功率低于 15W 的應用。

圖 3 顯示了 USB PD 的通信結構。

圖3: USB PD通信結構

歐盟指令的另一部分是為高于15W 的應用提供 USB PD功能。盡管有部分公司采用私有協議來協商更高的電壓和功率，但為了確保不同充電適配器和設備之間的互操作性與安全性，歐盟新指令規定不允許使用這些方法。此外，出于安全和互操作性方面的考慮，USB Type-C 規范明令禁止使用 USB PD 以外的協議將電壓提升至 5V 以上。

例如，有些智能手機雖然使用了 USB Type-C 連接器，但只有在使用特定電纜、插入特定充電適配器時才能“快速”充電，因為這些產品并沒有使用 USB PD。這意味著市售的某些 USB PD 充電適配器可能無法為產品快速充電，即使其額定功率與原裝適配器相當。這種現狀會導致用戶混淆，增加電子垃圾，并使產品的安全性和可靠性依賴于特定制造商的私有充電協議。

USB Type-C 連接器：合規、安全與優化

在致力于讓其產品支持USB Type-C的過程中，制造商們必須認識到，物理上充分滿足要求與滿足 USB Type-C 規范之間是有區別的。制造商可以自行決定是否提交其產品進行 USB Type-C 認證，從而在產品上印刷USB Type-C 的標志。

為了降低成本，有部分制造商只要USB Type-C 連接器能夠供電或接收功率，達到其最低物理要求即可，而不是去獲得認證。盡管這種方法性價比較高，但那些缺失的特性和功能有可能導致安全問題，從而損壞設備本身或與其相連的其他產品。

未經認證的 USB Type-C 產品可能產生五花八門的故障并帶來安全隱患，但也有一些方法可以提供強大的保護措施來緩解這些問題，例如保護電纜、供電端和接收端。下面我們將討論其中一些隱憂及其解決方案。以下第 1 點描述了經認證的 USB Type-C 接收器所具備的優勢，其余各點均介紹 MPS 電源管理 IC 提供的額外保護功能和優化功能。

1. CC 引腳上的輸入電流檢測: 用于不支持 PD（那些低于 15W的應用）的 USB Type-C ，USB Type-C 供電端可以提示通告提供三個電流級別：默認、1.5A 和 3A。其中“默認”意味著向后兼容舊 款USB 源（100mA 至 1.5A）。接收端檢測供電端的 CC 引腳通告以確定可以汲取多少電流，這一點非常重要。符合USB Type-C標準的接收端可以檢測 CC 引腳上的值并相應地調整其輸入電流限制，以避免從供電端汲取過多的電流。一旦設置了電流限制，當供電端更改其通告時，接收端就可以動態改變它汲取的電流量。

為了降低成本，部分制造商會在接收端的 CC 引腳上放置兩個電阻；當電纜連接在兩端之間時，供電端才會提供 5V電源（見圖 4）。但只有當接收端消耗的電流不超過通過 USB 數據線協商的默認電流時，才允許這樣配置。

圖4: 通過電阻實現輸入電流檢測

如果使用電阻替代恰當的輸入電流檢測，接收端不會檢查自己的 CC 引腳。假設一臺計算機有一個只能提供 500mA 電流的USB Type-A 端口。當接收端無法識別供電端只能提供 500mA 電流時，它可能會嘗試汲取 3A電流，這會造成過流 (OC) 情況并損壞供電端端口。接收端的充電器 IC 通常也有一個輸入電壓環路，但它只能防止輸入電壓降得太低。它無法保證接收端充電器 IC 的最小輸入電壓環路能夠足夠快地做出反應（或設置得足夠高），以防止損壞供電端。因此，該保護應被視為 CC 電流檢測和輸入電流限制的備用電路，而不是主保護電路。

請注意，簡單的電阻下拉方法可用于電流消耗不超過 1.5A 并提供 BC1.2 檢測的接收端應用（見下文）。

2. BC1.2 和私有充電器檢測：當供電端即沒有 USB Type-C 連接器（傳統電源），也不能提供小于 1.5 A 的電流時，BC1.2 標準定義了接收端如何檢測其電流輸出能力。這個檢測過程通過D+ 和 D- 引腳執行。BC1.2中還增加了私有充電器檢測的內容，它允許接收端檢測常見的充電適配器。

USB Type-C 規范不要求接收端在支持 CC 引腳檢測的情況下再兼容BC1.2標準。但是，如果接收端不符合BC1.2，則只能從 USB 2.0 供電端安全汲取 500mA 的最大電流，即 CC 引腳通告的默認電流。接收端添加 BC1.2兼容能力將允許其從通告了默認電流的供電端（例如傳統電源）汲取高達 1.5A 的電流，從而獲得更多功率、縮短充電時間并帶來更好的終端用戶體驗。

3. 不合規的傳統電纜檢測：傳統電纜是指一端為 USB Type-C 連接器，另一端具有不同（傳統）USB 連接器的電纜。為了向接收端通告電流水平，傳統 USB Type-A 電纜必須在 USB Type-C 側的 CC 引腳和 VBUS 引腳之間連接一個 56kΩ 的上拉電阻。但是，有些不合規的傳統 USB Type-C 電纜要么缺失上拉電阻（浮空或短路），要么阻值不正確。這都可能導致不正確的輸入電流限制檢測（如同使用 CC 引腳的輸入電流檢測），或者可能導致接收端 CC 引腳上發生過壓 (OV) 事件，因為接收端的 CC 引腳可能直接短接至 VBUS。為避免這些問題，USB Type-C 接收端設備應能檢測是否連接了不合規的傳統 USB Type-C 電纜，從而保護 CC 引腳。

4. VBUS 和 CC 引腳的過壓保護 (OVP)：SPR PD 充電適配器電壓最高可達 21V，非 PD 充電適配器則最高 5.5V。因此，建議設置 VBUS 過壓保護值至少為 21V，以防 PD 適配器出現故障或發生 VBUS 瞬態浪涌。在正常工作條件下，CC 引腳不應承受高電壓，因為 CC 要么沒有物理連接到 VBUS（例如使用 USB Type-C 電纜），要么是通過 56kΩ 電阻連接到 VBUS（例如使用傳統電纜）。但是，由于 CC 引腳與 VBUS 引腳物理相鄰，因此仍有可能因連接器內的雜質造成它們之間的短路。而且也有可能因使用了不合規的電纜，造成VBUS 與 CC 引腳之間的短路。為保護 CC 引腳免受這些情況的影響，強烈建議設置 OVP。

5. 連接器濕度檢測：連接器上的濕氣會隨著時間的推移腐蝕并損壞器件，從而導致引腳短路或開路。這在雙角色端口 (DRP) 或供電端應用中尤為常見；在這些應用中，產品在通告供電模式時向 CC 引腳施加上拉電壓或電流（VBus在供電模式期間也被啟用）。如果產品接觸到任何電解液（例如水），設備應能夠檢測到，并強制產品進入接收端模式（移除 CC 上拉偏置和 VBus），并提醒用戶。

6. 連接器溫度監控：USB Type-C連接器有4個并聯的VBUS引腳和4個接地引腳。隨著時間的推移，連接器不斷聚集雜質或磨損，一些引腳可能會出現開路情況，這會擾亂電流的流動并導致電流擠向其余引腳。這些額外的電流會讓連接器升溫。為避免過熱和可能的永久性損壞，USB Type-C 產品應能夠監測這種情況，在需要清潔連接器時提醒用戶，并降低電流消耗以降低溫度。

安全和優化用例

想象一根電纜兩端都沒有 USB Type-C連接器，該如何應對？一旦有物體插入，充電 IC 應能夠檢測到，分析電流限制，并確定電纜是否合規。如果是 USB Type-C 轉 USB Type-C 電纜，CC 引腳將直通電纜，供電端電源上拉，然后接收端（帶充電器 IC）下拉。

如果是傳統的Type-A 轉 Type-C 電纜， CC 電壓將通過一個電阻上拉至 VBUS。但就在幾年前，還有很多這類電纜是不合規的（例如用錯電阻或 CC 引腳與輸入電壓短路）。這導致 CC 控制器或芯片檢測到比實際電流更高的電流，這意味著具有 500mA 電流能力的供電端可能通過電纜告知了 3A 的電流能力。MP2722 等器件將可以應對這些問題，該器件可以檢測這些電纜是否不合規，并正確設置輸入電流限制（見圖 5）。下面將詳細介紹該器件。

圖5: MP2722功能特性

一個安全且合規的解決方案應包含充電器IC、OVP 芯片和 CC 控制器芯片（或檢測 CC 引腳的芯片）。部分制造商為了降低成本省略了接收端的CC 引腳檢測和OVP 芯片。盡管這樣也能為接收端提供電源，但卻不能保證所連接產品的安全性。此外，也不能用于 DRP 應用。

MPS產品

MPS 一直引領著 USB Type-C 充電與電源管理領域的趨勢，并提供涵蓋范圍廣泛的 USB 應用解決方案。我們的目標不僅是滿足 USB Type-C 最低限度的實現要求，而是在合規性、安全性和功能性等方方面面都具備額外的優勢。

USB Type-C 應用與MPS 產品

支持 USB Type-C 的電源管理 IC應根據特定應用而選擇。通常，這些產品可分為兩類：≤15W 的應用和超過 15W 的應用。

對于功率 ≤15W 的應用，產品包括 智能手機、商業銷售 (POS) 系統、揚聲器、電子煙、耳機、智能手表和部分平板電腦。這些產品不一定需要符合USB PD 標準，它們可以簡單地依靠 CC 控制器來確定電流水平和器件的電源角色。無需支持 USB PD 可以降低成本，因為無論供電端和接收端都不需要額外的 PD 控制器 IC。大多數功率小于15W 的產品都使用單節電池或并聯的多節電池。這些產品可以是接收端、供電端或者雙角色電源解決方案，如下所述：

1. 純接收端：只需要充電的應用，可以使用單向、5V、15W 的充電器 IC 為電池充電并完成接收端 CC 控制器操作。MP2722 是這類應用的絕佳選擇。

2. 純供電端：包括電源和車載充電器。這類應用不需要電池，只需要一個 5V 穩壓器和一個供電端 CC 控制器。

3. 雙角色電源 (DRP)：DRP 解決方案是雙向的，這意味著它既可以汲取電量也可以提供電量。MP2722 就是一款雙向 5V、15W 充電器 IC，它既可以為電池充電，也可以提供 5V 輸出和 DRP CC 控制器。

對于功率大于15W 的應用，如筆記本電腦、移動電源、大型揚聲器、電動工具、醫療設備以及高端智能手機和平板電腦，則需要支持USB PD。這類解決方案提供 DRP，并通常分為兩大類：

1. 單電池USB PD：單電池（或多節電池并聯）USB PD方案一般用于≤20W的中高端手機、平板電腦和移動電源。MP2731 降壓充電器IC專為這些應用而設計。具體詳細信息，請參閱 MP2731 USB PD 參考設計。

2. 2至4節串聯電池USB PD：多節電池串聯的USB PD解決方案通常用于需要20W以上功率的筆記本電腦、平板電腦、游戲設備、醫療設備和移動電源。這些應用需要升降壓充電器IC，例如 MP2760 或 MP2651，它們均可用于創建完整的USB PD 解決方案。

MP2722

MP2722是一款高度集成的 5V 開關模式電池充電器IC，適用于鋰離子和鋰聚合物電池。該器件提供窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理功能，能夠提供高達 5A 的充電電流。它完全符合 USB Type-C 1.3 標準，并提供集成的 CC DRP 控制器，用于源（供電端）模式或接收端模式下的雙向 15W 調節。MP2722 還在 VBUS 引腳上集成了 26V OVP，在 CC 引腳上集成了 22V OVP，同時提供一個 I2C 接口用于靈活配置參數。

同類15W DRP USB Type-C 方案都需要單獨的充電器 IC、DRP CC 控制器，以及 VBUS 和 CC 引腳的 OVP IC。MP2722 則將這三種功能都集成在一個芯片中，最大限度地節省了占位面積和成本（見圖 6）。

圖6: 傳統解決方案與MP2722

此外，MP2722 還支持高級USB Type-C 功能，因而更加合規、安全且高度優化。 這些功能包括連接器溫度監測、連接器濕度檢測、不合規傳統電纜檢測，以及支持可優化傳統充電適配器的 BC1.2。 MP2722尺寸小并完整集成了 USB Type-C 的所有功能， 非常適合單電池 USB Type-C 應用。

MP2731

MP2731 是一款 15V、4.5A 開關模式電池充電IC，它具有 NVDC 電源路徑管理功能，并集成了模數轉換器 (ADC) 和 I2C 接口。采用 MP2731 和外部 USB PD 控制器可以為 USB PD 應用提供完整的解決方案（請參閱參考設計），同時還符合 USB PD 3.0 規范。

該設計提供了一個 DRP USB Type-C 端口，允許雙向供電并可在接收端模式下實現快充。當存在 USB 輸入時，充電器被配置為接收端并為電池充電。如果 USB PD 接收端連接到該端口，則充電器充當供電端，并用電池作為電源提供穩定的輸出電壓。

MP2731 PD設計可實現高達18W的PD快充。此外，MP2731 還集成了一個輸入阻斷 FET，這樣就可以選擇使用一個額外的 USB PD 輸入 FET，從而降低BOM 成本并減小PCB 尺寸。該設計適用于任何想要利用USB PD 實現快充的單電池應用。

MP2760 and MP2651

MP2760 是一款 20V、6A 升降壓充電IC，它具有 NVDC 電源路徑管理功能，適用于 1 至 4 節串聯電池組。該器件具有 4 個集成開關 FET、ADC 和 I2C 接口，可提供極為緊湊的解決方案。它可以在升壓模式、降壓模式和升降壓模式下運行，具體取決于輸入和電池電壓；通過反向操作，該器件可以在供電端模式下通過電池為輸入供電。MP2760 電池充電器IC在SPR 電壓和電流水平滿量程范圍內均符合 USB PD DRP 操作要求。

MP2651 與 MP2760 引腳對引腳兼容，但針對不需要 NVDC 電源路徑管理的應用進行了優化，例如移動電源、電動工具和電池備份產品。

這兩款器件均采用了 CCG3PA USB PD 控制器來創建完整的 USB PD 解決方案（見圖 7）。該解決方案包含一個可雙向操作的 DRP USB Type-C 端口。如果插入適配器，該端口可以充當接收端，并為電池充電；如果插入接收器，則該端口可以作為供電端，通過電池為 USB 供電。這兩個部件均可通過 I2C 接口進行配置，因而更加靈活。該設計非常適合揚聲器、平板電腦、醫療設備、商業銷售(POS) 系統、無人機和攝像頭等應用。

圖 7：MP2760 的 USB PD 解決方案

結語

USB Type-C 連接器（也稱為 USB-C 連接器）用途廣泛，比舊款連接器尺寸小很多，而且向后兼容傳統USB 標準，并可提供高達 240W 的功率。通過遵循 USB Type-C 和 USB PD 規范并根據本文討論的優化措施，制造商將幫助保持產品之間的互操作性，提供可延長產品使用壽命的保護措施，并為歐盟減少電子垃圾的目標做出貢獻。

在歐盟頒布通用充電器新規之前，MPS就一直致力于開發面向廣泛USB Type-C 和 USB PD 應用的充電器 IC和電池管理設備 。隨著 USB Type-C 連接器在全球范圍內變得越來越普遍，便攜式應用的買家和制造商們必將獲益于我們豐富的產品系列。

審核編輯：湯梓紅