【導(dǎo)讀】如今的消費(fèi)者總想隨時(shí)隨地都能方便快捷地為其便攜式設(shè)備充電，無論是在商務(wù)中心還是購物中心，或是在等候航班或火車。但是，充電適配器和連接器類型花樣繁多，到底用哪個(gè)充電器常會(huì)讓用戶感到混亂。如果用戶每次都得攜帶多個(gè)不同的充電適配器，以便為不同的便攜式設(shè)備充電（例如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦），那他們很快就會(huì)變得頭痛不已（參見圖1）。
圖1：各種輸入源和適配器
與上圖的連接器（例如桶形插頭、USB Type-A和Micro-B）相比，USB Type-C（也稱為USB-C）連接器具有眾多優(yōu)勢(shì)，如可翻轉(zhuǎn)插頭、采用USB Type- C PD可提供高達(dá)100W的功率、雙角色電源功能（可充當(dāng)接收器或輸入源）以及更高的數(shù)據(jù)速率。
所有這些優(yōu)勢(shì)正在迅速推動(dòng)連接器的整合，即在更多的消費(fèi)類設(shè)備中使用USB Type-C連接器。USB Type-C還可能成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)連接器（參見圖2）。另外，充電適配器和線纜的重用極大地減少了電子垃圾，這也是它的一大優(yōu)勢(shì)。
圖2：USB Type-C連接器
對(duì)于便攜式電子設(shè)備，USB Type-C連接器的高功率能力非常重要，因?yàn)檫@意味著設(shè)備電池可以更快完成充電。許多便攜式設(shè)備以前使用的micro-USB連接器允許的最大功率為7.5W（5V，1.5A），而使用USB Type-C，便攜式設(shè)備能夠以兩倍的功率為電池充電，即最高功率可達(dá)15W（5V，3A）。
不過，即使標(biāo)準(zhǔn)USB Type-C電源可以提供高達(dá)15W的功率，最終用戶也很少能夠通過5V電源充分利用這15W，這主要由兩個(gè)原因?qū)е拢?/div>
1. Type-C線纜的最大往返電阻為250mΩ，而設(shè)備的PCB和連接器通常會(huì)為其增加約100mΩ的串聯(lián)電阻。這意味著，由于I x R壓降，在5V電壓下提供3A電流的15W電源只能為充電器提供最高11.85W（15W-3.15W）的功率。
2. 由于單電池的滿電電壓逐年增長(zhǎng)，5V電源給充電器IC制造了“凈空限制”問題。假如有一個(gè)電池處于恒壓階段的設(shè)備， 它使用能夠提供15W功率的5V USB Type-C電源以4.4V電壓充電，并具有第一個(gè)因素中提到的350mΩ串聯(lián)電阻；此時(shí)，電源輸出與電池輸入端子之間只能存在0.6V的壓降。 這意味著最大可用電流約為1.7A（0.6V /0.350Ω），相當(dāng)于約7.5W的功率。
要克服此限制，可以降低總串聯(lián)電阻或者增加電源的輸出電壓。但串聯(lián)電阻很難降低，因此USB PD提供了一種方法將電源輸出電壓提高至20V，從而提供高達(dá)100W的功率。
即便存在上述限制，標(biāo)準(zhǔn)15W USB Type-C電源也足以滿足很多便攜式設(shè)備的需求。但是，諸如智能手機(jī)、平板電腦、無線揚(yáng)聲器、移動(dòng)電源和攝像頭之類的設(shè)備通常都具有大于3000mAh的電池，因此可以采用USB PD更快地充電。為了提供更高的功率輸出，USB PD適配器可以根據(jù)便攜式設(shè)備的要求將其輸出電壓提高到5V以上。USB PD適配器可以提供的最大功率通常在15W至100W之間，具體取決于電壓和電流水平。
圖3顯示了USB PD電源功率規(guī)則，USB PD標(biāo)準(zhǔn)中也闡述了這些規(guī)則，以確保不同PD適配器（源）和設(shè)備（接收器）之間的兼容性。根據(jù)其額定功率，源輸出電壓必須為5V、9V、15V或20V四個(gè)電壓等級(jí)，同時(shí)允許3A的最大電流。最大電流水平也可以提高到5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標(biāo)記的線纜以確保安全。
圖3：電源功率規(guī)則圖
USB Type-C PD利用了Type-C連接器的能力，通過增加輸出電壓來提供更高功率，同時(shí)仍向后兼容5V以實(shí)現(xiàn)通用充電功能。例如，如果接收設(shè)備（例如揚(yáng)聲器）僅需18W功率（9V，2A），則根據(jù)電源規(guī)則，任何額定功率至少為27W的兼容型USB PD適配器都能滿足其充電需求。這意味著最終用戶只需帶備一個(gè)USB PD電源，即可為其所有設(shè)備充電，從而更加方便而且經(jīng)濟(jì)高效。對(duì)制造商而言，這意味著他們不再需要為其產(chǎn)品配備電源適配器，此舉不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環(huán)境。
要實(shí)現(xiàn)USB Type-C PD快速充電，便攜式設(shè)備和電源中都需要一個(gè)PD控制器IC。PD控制器與PD適配器通信，以確定便攜式設(shè)備需要的功率；然后，PD控制器檢查便攜式設(shè)備加載狀態(tài)和安全故障信息。另外，支持雙角色端口（DRP）的PD控制器允許用戶通過其便攜式設(shè)備為其他設(shè)備充電，例如通過筆記本電腦為手機(jī)充電。這樣，便攜式設(shè)備又可以用作移動(dòng)電源，進(jìn)一步增加了便利性。
充電器IC是實(shí)現(xiàn)USB Type-C PD快速充電系統(tǒng)的重要組件。設(shè)計(jì)工程師們尋求的解決方案需要達(dá)到以下目標(biāo)：
● 能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通用充電功能，即可以采用不同充電配置和高輸入電壓為多種電池供電設(shè)備充電
● 延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，充分利用最大的電池容量，以實(shí)現(xiàn)最佳用戶體驗(yàn)
● 提高充電效率，最大程度降低充電器IC內(nèi)的功率損耗
● 保護(hù)電池、系統(tǒng)和輸入適配器免于故障
本文介紹的完整USB PD快速充電參考設(shè)計(jì)采用了MPS的MP2731。MP2731是一款大電流開關(guān)充電器，與USB PD控制器配合使用可以創(chuàng)建整體解決方案（參見圖4）。
圖4：MPS USB PD快速充電解決方案
該設(shè)計(jì)使用的USB PD控制器符合最新的USB Type-C和PD標(biāo)準(zhǔn)。它具備完整的功能和BOM集成優(yōu)勢(shì)，是便攜式設(shè)備的理想之選。
MP2731 是一款集成降壓充電器IC，它利用USB PD輸入，可在3.7V至16V的輸入電壓范圍內(nèi)為單節(jié)電池充電。該器件具有集成組件，可實(shí)現(xiàn)緊湊型、空間受限電池供電設(shè)備（如揚(yáng)聲器、攝像頭、PoS系統(tǒng)和其他一般應(yīng)用）的靈活充電。
MP2731還提供了一個(gè)I2C接口，可以靈活進(jìn)行充電配置，并監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)和故障情況。其超低功耗充電器IC延長(zhǎng)了電池的運(yùn)行時(shí)間，從而在不充電時(shí)節(jié)省了盡可能多的電池電量。為支持Type-C連接器的雙角色端口（DRP）功能，MP2731還提供電池放電功能，以在其輸入端建立電流高達(dá)3A的5V穩(wěn)定電壓。在此模式下，Type-C端口可以作為源端口為外部設(shè)備（如智能手機(jī)）供電。充電過程和USB On-the-Go（OTG）操作都可以通過集成的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行監(jiān)測(cè)（參見表1）。MP2731還提供多種對(duì)電池充電和系統(tǒng)操作至關(guān)重要的安全保護(hù)功能，包括快速充電安全計(jì)時(shí)器、電池溫度監(jiān)測(cè)、過壓保護(hù)（OVP）和過流保護(hù)（OCP）（參見表1）。
表1：MP2731的充電參數(shù)
為實(shí)現(xiàn)PD快速充電, MP2731 降低了開關(guān)充電器內(nèi)部集成FET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，以提高大電流下的充電器效率。 圖5顯示了MPS PD快速充電解決方案的充電效率曲線。
圖5：MPS USB PD快速充電解決方案的充電效率
F快速充電功能支持大容量電池，便攜式設(shè)備可以因此實(shí)現(xiàn)越來越多的功能。但便攜式設(shè)備又通常需要盡可能小，這推動(dòng)了對(duì)全集成開關(guān)充電器的需求。MP2731依賴MPS先進(jìn)的DrMOS工藝將大多數(shù)組件集成到一個(gè)超小尺寸的QFN-26（3.5mmx3.5mm）封裝中，從而節(jié)約了BOM成本和PCB尺寸。
USB PD快充能夠?yàn)閺V泛的應(yīng)用提供快速靈活的充電功能，為最終用戶提供便利。本文介紹的所有功能均有助于實(shí)現(xiàn)最佳的USB Type-C PD快速充電解決方案設(shè)計(jì)。
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