USB已經從一個能夠提供有限功率的數據接口演變為具有高速數據接口的主電源。 USB Type-C?和USB Power Delivery（PD）2.0（以及迫在眉睫的3.0版本）加速了這種發展。但是，需要注意為應用選擇最具成本效益的解決方案，因為USB Type-C和USB PD提供多個功率級別。

例如，USB Type-C單獨可支持高達5伏的電壓在3安培（15 W）時，帶有USB PD的USB Type-C允許生態系統在5安培（100 W）下支持多達20伏的功率水平。缺點是USB PD增加了設計復雜性和材料清單（BOM）的成本。

幸運的是，通過使用一系列最近推出的組件，設計人員可以利用新的功能，如可逆功率傳輸，電源協商和100瓦功率傳輸設計USB電源，可以安全，快速地為設備（甚至便攜式計算機）充電。

本文試圖通過USB Type-C和USB PD解釋了設計人員如何在許多應用中使用USB Type-C以及何時應該遷移到USB PD以用于更高功率的應用。然后，本文將提供有關如何實現實用的USB Type-C和USB PD設計的指導。

USB變得更加專注

展示一定程度的遠見，USB的原始設計者接口決定它應該攜帶數據和電源，允許低功耗外設從主機獲取電源。如今，數十億的電子設備采用USB連接，而且該技術遠遠超出了原先預期的計算機外圍設備范圍。

這種顯著增長的不利因素是連接器數量增加帶來的復雜性增加類型，帶寬和功率電平范圍從最初的5伏特，100毫安到20伏特，5安培。

幸運的是，事情變得更加集中，新設計傾向于選擇高度靈活的USB Type-C規范1.0,2.0,3.0或3.1通信協議;如果需要更高的功率，USB PD 2.0/3.0電源協議。本文將考慮采用這些技術的設計。

USB Type-C和電池充電1.1和1.2

USB Type-C規范1.0于2014年底推出，以滿足對緊湊型可逆插頭連接器適用于主機和外圍設備（圖1）。這種未來的打樣擴展到包含一個24針連接器，提供四個+5 V＆amp;接地對，USB 2.0數據總線的兩個差分對，SuperSpeed數據總線的四對，兩個邊帶使用引腳，有源電纜的VCONN + 5V電源，以及本文適用的通道配置（CC）引腳電纜定向檢測和連接管理。特定應用中使用的引腳取決于所使用的通信協議和功率傳輸要求。

圖1：USB Type-C連接器引腳。 CC1和CC2用于USB Type-C電纜連接的發現，配置和管理。請注意引腳布局如何允許可逆性。 （圖片來源：STMicroelectronics）

隨著便攜式設備的激增，很明顯原始版本的USB提供的500 mW不足以為未來的便攜式設備供電（和充電）。因此，USB 2.0引入了500 mA的最大電流（將功率增加到2.5 W），而USB 3.0則將電流推高到900 mA（4.5 W）。

另一方面，智能手機的容量不斷增長和平板電腦，以及USB越來越多地用于充電的事實，觸發了專用電池充電協議的發布。 USB電池充電（BC）1.1，隨后是1.2，是2010年USB 2.0的工程變更。

USB BC的聰明之處在于它認識到電池充電是USB的重要應用。例如，以前，沒有辦法為關閉的外圍設備的電池充電。此外，即使設備已上電，如果USB端口在指定時間內沒有從外設接收數據，也可以將其設置為“暫停”模式，允許的最大電流僅為2.5 mA，也是

USB BC規范概述了三種不同類型的USB端口：標準下行端口（SDP）;專用充電端口（DCP）;和充電下游端口（CDP）（圖2）。

圖2：USB電池充電（BC）規范定義了三種端口類型，標準下行端口（SDP），專用充電端口（DCP） ）和充電下游端口（CDP）。 （圖像源：Maxim Integrated）

SDP在D +和D-線上都有15kΩ下拉電阻。 “懸空”時的電流限制為2.5 mA，連接時為100 mA，連接時為500 mA，配置為“更高功率”（由USB 2.0規范定義）。顧名思義，DCP無法支持任何數據傳輸，但可以為7.5瓦的功率輸出提供高達1.5安培的電流。在這種配置中，D +和D-線短路。 CDP允許高電流充電和數據傳輸，完全符合USB 2.0。該端口具有D +和D-通信所需的15kΩ下拉電阻，以及在充電器檢測階段切換的內部電路。該內部電路允許便攜式設備區分CDP與其他端口類型。

所有便攜式設備需要做的是識別DCP在D +或D-上設置電壓并觀察另一條線路電壓，從而確定線路短路。

增加電源

USB BC 1.1在將USB擴展到電池充電方面做得很好，1.2版增加輸出到5安培（25 W）時最大5伏 - 足以充電一小時左右的典型智能手機。但設計人員面臨的挑戰是將其擴展到具有更大電池的產品，例如平板電腦和便攜式計算機。

為了滿足這一需求，USB實施者論壇（USB-IF）推出了USB供電（PD）1.0引入該標準的關鍵驅動因素是通過提供可互操作的充電標準來減少電子垃圾，該標準允許制造商提供一種能夠為一套便攜式設備供電的充電器。

關鍵特性USB PD 1.0包括最大20伏特，5安培（100瓦）（受國際安全要求限制）;兼容現有USB 2.0/3.0電纜和高達7.5瓦的連接器（否則需要升級電纜）;與USB BC 1.2共存。

雖然USB PD 1.0能夠提供高達100瓦的功率，但它還提供了其他幾種“電源配置文件”;但這些在很大程度上被制造商所忽視，并在USB PD 2.0中被刪除并作為USB 3.1的一部分被采用。現在USB PD“電源規則”取代了電源配置文件，定義了5伏，9伏，15伏和20伏的四個電壓等級。電源可以支持0.5到100瓦的任何最大源輸出功率，而不是六個固定電平。提供超過15瓦的電源提供5伏和9伏的電壓，提供超過27瓦的電源提供5,9和15伏的電壓，提供超過45瓦的電源提供5,9,15和20伏的電壓。

< p>電流可以連續變化（最高5 A），具體取決于所需的功率水平。此外，在任何給定的功率水平下，都需要一個源來支持所有較低的電壓和功率水平，以確保更高功率的電源可以支持更低功率的設備（圖3）。

圖3：USB PD 3.0提供4個電壓電平（5,9,15和20 V）和最高5安培的電流，可實現高達100瓦的功率輸出。 （圖片來源：德州儀器）

USB PD 3.0引入了一些改進，以增強系統的功率傳輸和穩健性，但未對Power Rules進行任何更改。 USB PD 2.0和3.0完全可互操作且向后兼容（表1）。

規格最大電壓最大電流最大功率USB 2.0 5 V 500 mA 2.5 W USB 3.0和USB 3.1 5 V 900 mA 4.5 W USB BC 1.2 5 V 1.5 A 7.5 W USB Type-C 1.2 5 V 3 A 15 W USB PD 3.0 20 V 5 A 100 W

表1：隨著電池充電（BC），Type-C的推出，最大USB電流增加和電力傳輸（PD）規范。 （圖片來源：德州儀器）

對于設計人員而言，USB PD規范的其他值得注意的方面是主機和外設能夠使用VBUS引腳“協商”電壓和電流水平（即不依賴數據線）以及向任一方向提供電源的能力無需借助連接器切換。例如，該能力允許連接到主電源的顯示器用于給筆記本電腦充電，同時從便攜式計算機呈現信息。最后，各個設備隨時協商所需功率的能力可提高系統效率。

USB供電設計

考慮采用基于USB的設計時在技術的大部分電源供應能力方面，值得花一點時間了解它如何處理數據和電力傳輸。這已經從最初的實施方式發生了很大的變化，即PC為外圍設備供電并且數據雙向交換。

在今天的實施中，下游端口（DFP）發送數據，可以獲得VBUS電源并且是通常是主機或集線器;上游端口（UFP）接收數據，吸收（消耗）VBUS電源并連接到主機（例如，顯示器）;并且雙角色數據（DRD）端口可以充當DFP或UFP。對于DRD，端口的作用取決于它在啟動時是作為電源（DFP）還是接收器（UFP），但如果需要，可以在操作期間動態更改其功能。 DRD端口通常用于智能手機或平板電腦。

在考慮功率流時，端口還可以采用雙角色功率（DRP）配置。例如，便攜式計算機可以具有用于為其電池充電的DRP端口，但是稍后可以用于為諸如硬盤驅動器的外部設備供電。對于設計者來說生活變得有點復雜，因為有DRP的子類，即采購設備和下沉主機。采購設備可以提供電力，但無法充當DFP廣告管理系統。同樣，下沉設備可以接收電源，但不能充當UFP。

雖然其他USB連接器仍然很受歡迎，但許多新設計往往傾向于Type-C，因為它具有長期優勢提供。同樣，新設計通常使用USB 2.0或3.0。

沒有USB PD的USB Type-C（1.2）在3安培（15 W）時提供5伏的健康最大值，因此適用于寬屏不增加USB PD復雜性的應用范圍。例如，15瓦足以在30分鐘內為智能手機電池充電，或者在2.5小時內為平板電腦充電。還提供5伏，1.5安培（7.5 W）版本。

USB Type-C在CC1和CC2引腳上采用上拉電阻（用于DFP）和下拉電阻（UFP） 。上拉電阻（Rp）決定DFP的當前供應容量。 UFP上的固定值下拉電阻（Rd）與Rp形成分壓器。通過檢測分壓器中心抽頭的電壓，UFP可以檢測到DFP的廣告電流（圖4）。

圖4：DFP和UFP監視器上的上拉和下拉電阻用于連接和方向，而UFP上的電阻也可以檢測到DFP公布的當前廣告。 （圖片來源：德州儀器）

如果兩個端口都支持DRP，則連接的結果可能會受到兩個可選功能的影響：“Try.SRC”（將端口設置為DFP）和“Try.SNK”（UFP）。根據應用，這些設置可能非常重要。例如，智能手機開始為便攜式計算機充電是沒有意義的。

德州儀器的TUSB320芯片是USB Type-C USB 2.0實現的良好基礎。它也是將傳統連接器USB 2.0設計更改為USB Type-C升級的快速方法。使用TI芯片的DFP實現如圖5所示.ID信號表示端口配置為DRP時的標準移動實現。雖然DFP廣告管理系統并不是絕對必要的，但它可以方便地控制電源開關（FET）。

圖6顯示了使用相同芯片的UFP實現。該芯片可以使用GPIO或（可選）I 2 C輸入進行配置，并允許其他設計人員友好的功能。

圖5

圖6

圖5＆amp; 6：使用TI TUSB320芯片的USB Type-C USB 2.0 DFP（圖5）和UFP實現（圖6）。 （使用Digi-Key Scheme-it?從德州儀器的原始源圖像繪制的圖表）

添加USB PD

需要比標準USB Type-C端口提供更多功率以便為其電池充電的產品（例如便攜式計算機）將需要USB PD的資源。該技術允許外設通過USB電纜協商比USB 2.0/3.0/3.1規范中定義的更高電流和/或更高或更低的電壓。通過USB Type-C CC線進行通信。不利的一面是，USB PD增加了設計的復雜性和成本，因此只有在嚴格要求超過USB Type-C 5伏3安培電源支持時才能指定。

特別是USB與上述USB Type-C USB 2.0實現相比，PD需要四個新元件。此外，必須使用更強大的FET升級VBUS電源開關，使其能夠處理高達20伏和5安培的電壓。

更高功率的FET需要柵極驅動器。一些設計人員更喜歡使用集成高功率FET的柵極驅動器，然后可以驅動更高功率的外部FET。但是，由于USB Type-C連接器的引腳密度高于傳統USB設備，因此將VBUS短接到相鄰引腳的風險更高。當系統承載USB PD的更高電壓和電流時，這是一個更加嚴重的危險。

因此，添加短路保護以避免災難性故障是一種很好的設計實踐。一些芯片供應商為此任務提供單芯片解決方案，以節省設計保護電路所需的時間。

PD PHY和PD管理器

也許是設計時最重要的補充結合USB PD是PD PHY和PD管理器。這些設備一起管理DFP和UFP之間的CC線路上的通信。通過此通信，DFP廣告管理系統可宣傳其可支持的功率級別，然后允許UFP請求支持的功率級別以滿足其需求。一旦達成功率水平，就會調整電壓和電流水平。圖7顯示了使USB Type-C USB 2.0設計能夠進行USB PD操作所需的升級和添加元素。

圖7：USB Type-C USB 2.0實現需要額外的突出顯示元素（藍色塊）才能使其能夠進行USB PD操作。 （圖像來源：德州儀器公司）

PD管理器和PD PHY執行不同的任務：PD PHY驅動跨越CC線路的通信，但它本身就是一個“啞”設備。相比之下，PD管理器是一個“智能”設備，由支持PD協商的復雜狀態機組成，并通過指示PD PHY執行廣告，請求和確認功率級別等功能來驅動PD PHY。這些功能的細微差別很復雜，超出了本文的范圍。可以說USB PD實現總是需要PD管理器和PD PHY。

硅供應商提供將PD管理器和PD PHY分開的解決方案，或者將這兩種功能組合到單個芯片上。例如，TI提供TPS25740，這是一種源控制器，包括用于VBUS電源開關，CC邏輯，USB PD管理器和PD PHY的柵極驅動器。該芯片符合USB PD 2.0標準，因此可提供5,12和20伏的電壓，以及15至100瓦的功率輸出。

TPS25740是DFP廣告管理系統解決方案的合適基礎。它會自動處理VBUS輸出的放電。保護功能包括過壓，過流，過溫和系統覆蓋，以禁用柵極驅動器。

TI TPS65982采用更高的集成度。除了集成USB PD管理器和USB PD PHY外，該芯片還可控制外部大電流電源開關，并將高速數據多路復用到USB 2.0和備用模式邊帶信息的端口。 CC引腳上的混合信號前端通告默認值為1.5或3安培的USB Type-C電源，檢測到插頭事件并確定USB Type-C電纜方向，并自動協商USB PD功率電平。 TPS65982可以作為DFP，UFP或DRP運行。

同樣高度集成的解決方案來自賽普拉斯半導體及其CYPD2103 EZ-PD CCG2端口控制器。該芯片采用ARM M0處理器和32 KB閃存，不僅提供USB PD管理器和PD PHY，還集成了USB Type-C端口控制器和終端電阻。該芯片可采用2.7至5.5伏電源供電，可與無源電纜，有源電纜和電源配件一起使用。

與TI的TPS65982一樣，CYPD2103可設計為DFP，UFP和DRP拓撲結構。也可以使用CY4541評估套件對筆記本電腦的USB Type-C DRP應用進行修改和配置。圖8顯示了與EVK一起提供的CCG2/3/4控制器的USB Type-C和USB PD規范兼容固件堆棧以及應用程序固件。

圖8：賽普拉斯半導體的CY4541評估套件包括USB Type-C和USB PD兼容固件堆棧。 （資料來源：賽普拉斯半導體公司。）

結論

與其作為提供逐漸增加的帶寬的數據通信技術的發展同步，USB技術已經發展到滿足更多功率處理能力的需求。

特別是USB Type-C具有可逆連接器和更大的靈活性，以及USB PD電源協議，可提供功率級別，以滿足未來便攜式設備的需求。對于需要高功率輸入以減少充電時間的產品，開發人員可以使用此功能。

帶USB 2.0的USB Type-C最大功率為15瓦，帶寬為480 Mbit/秒。它適用于廣泛的應用，實施起來相對簡單，并最大限度地降低了組件成本。對于更高功率的應用，可以將USB PD添加到新設計或現有設計中，將最大功率提升至100瓦。使用USB PD進行設計更為復雜，但可以通過將電源基于集成USB Type-C控制器與USB PD PHY/管理芯片相結合來實現。請注意，供應商還提供一系列專門用于幫助工程師加速設計過程的開發工具。