如何利用USB PD实现便携式设备的快速充电

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Hank Cao

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如今的消费者总想随时随地都能方便快捷地为其便携式设备充电，无论是在商务中心还是购物中心，或是在等候航班或火车。但是，充电适配器和连接器类型花样繁多，到底用哪个充电器常会让用户感到混乱。如果用户每次都得携带多个不同的充电适配器，以便为不同的便携式设备充电（例如手机、平板电脑和笔记本电脑），那他们很快就会变得头痛不已（参见图1）。

图1：各种输入源和适配器

与上图的连接器（例如桶形插头、USB Type-A和Micro-B）相比，USB Type-C（也称为USB-C）连接器具有众多优势，如可翻转插头、采用USB Type- C PD可提供高达100W的功率、双角色电源功能（可充当接收器或输入源）以及更高的数据速率。

所有这些优势正在迅速推动连接器的整合，即在更多的消费类设备中使用USB Type-C连接器。USB Type-C还可能成为公认的标准连接器（参见图2）。另外，充电适配器和线缆的重用极大地减少了电子垃圾，这也是它的一大优势。

图2：USB Type-C连接器

对于便携式电子设备，USB Type-C连接器的高功率能力非常重要，因为这意味着设备电池可以更快完成充电。许多便携式设备以前使用的micro-USB连接器允许的最大功率为7.5W（5V，1.5A），而使用USB Type-C，便携式设备能够以两倍的功率为电池充电，即最高功率可达15W（5V，3A）。

不过，即使标准USB Type-C电源可以提供高达15W的功率，最终用户也很少能够通过5V电源充分利用这15W，这主要由两个原因导致：

1. Type-C线缆的最大往返电阻为250mΩ，而设备的PCB和连接器通常会为其增加约100mΩ的串联电阻。这意味着，由于I x R压降，在5V电压下提供3A电流的15W电源只能为充电器提供最高11.85W（15W-3.15W）的功率。
2. 由于单电池的满电电压逐年增长，5V电源给充电器IC制造了“净空限制”问题。假如有一个电池处于恒压阶段的设备， 它使用能够提供15W功率的5V USB Type-C电源以4.4V电压充电，并具有第一个因素中提到的350mΩ串联电阻；此时，电源输出与电池输入端子之间只能存在0.6V的压降。 这意味着最大可用电流约为1.7A（0.6V /0.350Ω），相当于约7.5W的功率。

要克服此限制，可以降低总串联电阻或者增加电源的输出电压。但串联电阻很难降低，因此USB PD提供了一种方法将电源输出电压提高至20V，从而提供高达100W的功率。

即便存在上述限制，标准15W USB Type-C电源也足以满足很多便携式设备的需求。但是，诸如智能手机、平板电脑、无线扬声器、移动电源和摄像头之类的设备通常都具有大于3000mAh的电池，因此可以采用USB PD更快地充电。为了提供更高的功率输出，USB PD适配器可以根据便携式设备的要求将其输出电压提高到5V以上。USB PD适配器可以提供的最大功率通常在15W至100W之间，具体取决于电压和电流水平。

图3显示了USB PD电源功率规则，USB PD标准中也阐述了这些规则，以确保不同PD适配器（源）和设备（接收器）之间的兼容性。根据其额定功率，源输出电压必须为5V、9V、15V或20V四个电压等级，同时允许3A的最大电流。最大电流水平也可以提高到5A，但需要提供一条特殊的、带电气标记的线缆以确保安全。

图3：电源功率规则图

USB Type-C PD利用了Type-C连接器的能力，通过增加输出电压来提供更高功率，同时仍向后兼容5V以实现通用充电功能。例如，如果接收设备（例如扬声器）仅需18W功率（9V，2A），则根据电源规则，任何额定功率至少为27W的兼容型USB PD适配器都能满足其充电需求。这意味着最终用户只需带备一个USB PD电源，即可为其所有设备充电，从而更加方便而且经济高效。对制造商而言，这意味着他们不再需要为其产品配备电源适配器，此举不仅降低了成本，而且减少了电子垃圾，改善了环境。

要实现USB Type-C PD快速充电，便携式设备和电源中都需要一个PD控制器IC。PD控制器与PD适配器通信，以确定便携式设备需要的功率；然后，PD控制器检查便携式设备加载状态和安全故障信息。另外，支持双角色端口（DRP）的PD控制器允许用户通过其便携式设备为其他设备充电，例如通过笔记本电脑为手机充电。这样，便携式设备又可以用作移动电源，进一步增加了便利性。

充电器IC是实现USB Type-C PD快速充电系统的重要组件。设计工程师们寻求的解决方案需要达到以下目标：

• 能够简化设计，同时实现通用充电功能，即可以采用不同充电配置和高输入电压为多种电池供电设备充电
• 延长电池的使用时间，充分利用最大的电池容量，以实现最佳用户体验
• 提高充电效率，最大程度降低充电器IC内的功率损耗
• 保护电池、系统和输入适配器免于故障

本文介绍的完整USB PD快速充电参考设计采用了MPS的MP2731。MP2731是一款大电流开关充电器，与USB PD控制器配合使用可以创建整体解决方案（参见图4）。

图4：MPS USB PD快速充电解决方案

该设计使用的USB PD控制器符合最新的USB Type-C和PD标准。它具备完整的功能和BOM集成优势，是便携式设备的理想之选。

MP2731 是一款集成降压充电器IC，它利用USB PD输入，可在3.7V至16V的输入电压范围内为单节电池充电。该器件具有集成组件，可实现紧凑型、空间受限电池供电设备（如扬声器、摄像头、PoS系统和其他一般应用）的灵活充电。

MP2731还提供了一个I2C接口，可以灵活进行充电配置，并监测充电状态和故障情况。其超低功耗充电器IC延长了电池的运行时间，从而在不充电时节省了尽可能多的电池电量。为支持Type-C连接器的双角色端口（DRP）功能，MP2731还提供电池放电功能，以在其输入端建立电流高达3A的5V稳定电压。在此模式下，Type-C端口可以作为源端口为外部设备（如智能手机）供电。充电过程和USB On-the-Go（OTG）操作都可以通过集成的8位模数转换器（ADC）进行监测（参见表1）。MP2731还提供多种对电池充电和系统操作至关重要的安全保护功能，包括快速充电安全计时器、电池温度监测、过压保护（OVP）和过流保护（OCP）（参见表1）。

表1：MP2731的充电参数

为实现PD快速充电, MP2731 降低了开关充电器内部集成FET的导通电阻RD_S(ON)，以提高大电流下的充电器效率。 图5显示了MPS PD快速充电解决方案的充电效率曲线，

图5：MPS USB PD快速充电解决方案的充电效率

F快速充电功能支持大容量电池，便携式设备可以因此实现越来越多的功能。但便携式设备又通常需要尽可能小，这推动了对全集成开关充电器的需求。MP2731依赖MPS先进的DrMOS工艺将大多数组件集成到一个超小尺寸的QFN-26（3.5mmx3.5mm）封装中，从而节约了BOM成本和PCB尺寸。

USB PD快充能够为广泛的应用提供快速灵活的充电功能，为最终用户提供便利。本文介绍的所有功能均有助于实现最佳的USB Type-C PD快速充电解决方案设计。