干貨收藏！加快USB PD電池充電器設(shè)計(jì)

便攜設(shè)備擁有的一些高級(jí)功能，比如5G、4K顯示等，往往推高了系統(tǒng)功耗——使用大容量2S電池設(shè)備的功耗通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)15W。對(duì)于這些高耗電設(shè)備，使用USB充電（PD）大有裨益，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)快速充電，使這些產(chǎn)品得以保持持續(xù)運(yùn)行而避免發(fā)生停機(jī)（圖1）。此外，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便化和標(biāo)準(zhǔn)化，諸多曾經(jīng)使用AC-DC桶式適配器的應(yīng)用正逐步轉(zhuǎn)向USB充電。

然而，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，遵循USB PD標(biāo)準(zhǔn)通常需要復(fù)雜的固件開(kāi)發(fā)和額外的硬件設(shè)計(jì)。由于Type-C端口針腳之間的距離短、電壓高（20V），因此如果插入或斷開(kāi)連接器的角度不正確，往往會(huì)造成損壞。事實(shí)上，USB Type-C和USB PD規(guī)范要求設(shè)計(jì)者具備軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，以及對(duì)USB規(guī)范的深入了解。

攝像頭、AR/VR系統(tǒng)和無(wú)線揚(yáng)聲器等消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備正在引領(lǐng)USB Type-C和USB PD技術(shù)的發(fā)展?？墒?，考慮到上市時(shí)間的壓力，這些產(chǎn)品往往無(wú)法承受過(guò)于漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。隨著使用這些產(chǎn)品的消費(fèi)者逐漸在其他專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品中也想獲得同樣程度的便利，USB Type-C和USB PD技術(shù)在工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域中也將得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)也逐步被應(yīng)用在POS設(shè)備、工業(yè)掃描儀和吸奶器等領(lǐng)域。在本文中，我們將分享一些簡(jiǎn)化USB PD設(shè)計(jì)的技巧。

圖1. USB Type-C和USB PD為便攜設(shè)備帶來(lái)了快速數(shù)據(jù)傳輸和充電的便利

USB-C充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

USB Type-C和USB PD為數(shù)據(jù)傳輸和供電提供對(duì)稱(chēng)的24引腳接口的規(guī)范，使設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通用的接口。USB-C可提供5V/最高3A的充電電流（15W），而USB PD 3.0可提供5V到20V/最高5A的供電電流（100W）。要設(shè)計(jì)USB-C充電系統(tǒng)，您需要：

• 解決信號(hào)完整性和速度的問(wèn)題

• 和各種傳統(tǒng)接口相連接

• 確保設(shè)計(jì)能夠適用于寬電壓電流范圍，包括支持冷啟動(dòng) （0V，直到端-端檢測(cè)完成）

• 確保插入U(xiǎn)SB-C電源時(shí)，充電器和端口控制器能夠相互通信

• 滿(mǎn)足消費(fèi)類(lèi)設(shè)備等產(chǎn)品小尺寸的要求

• 保持熱效率，盡量減少溫升

要應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，通常設(shè)計(jì)者需要為USB-C協(xié)議開(kāi)發(fā)復(fù)雜的主機(jī)端軟件，或者需要額外的部件，如外部FET和外部微控制器。不過(guò)，有一些充電系統(tǒng)的解決方案有助于盡量減少這些挑戰(zhàn)。這些方案的一個(gè)關(guān)鍵特性是完全遵守協(xié)議，因?yàn)檫@將簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。一些解決方案還設(shè)計(jì)有基于事件的操作腳本，使定制過(guò)程更簡(jiǎn)便。高度集成的IC也將精簡(jiǎn)大量分立元件的使用。另外，設(shè)計(jì)者還需要考慮方案應(yīng)具備在惡劣環(huán)境（例如，不同的溫度或潮濕條件）下保持可靠運(yùn)行的功能。

另一個(gè)考慮因素是使用大容量的電池，高耗電的終端設(shè)備需要這些電池來(lái)維持更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。相比于1S電池，2S電池可以在不增加充電電流的情況下增大容量。由于USB-C支持5V到20V之間的輸入電壓，而2S或3S電池的電壓介于這兩者之間，因此借助降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以彌補(bǔ)這一差距。圖2給出了基于2S電池應(yīng)用的方框圖。

圖2. 基于2S電池應(yīng)用的框圖

開(kāi)箱即用的USB-C兼容性

ADI的全新USB-C充電系統(tǒng)解決方案符合USB PD 3.0規(guī)范，無(wú)需進(jìn)行固件開(kāi)發(fā)，開(kāi)箱即用，將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了三個(gè)月。與同類(lèi)解決方案相比，其緊湊的尺寸可將解決方案的尺寸縮小一半。MAX77958 USB Type-C和USB PD充電控制器無(wú)需額外的固件開(kāi)發(fā)，這得益于其擁有依賴(lài)GUI驅(qū)動(dòng)的定制腳本、BC1.2的協(xié)議支持，以及與快速角色轉(zhuǎn)換（FRS）、雙角色端口（DRP）和Try.SNK模式有關(guān)的配置設(shè)置。這款獨(dú)立產(chǎn)品無(wú)需外部微控制器，提供開(kāi)箱即用的USB PD 3.0兼容性，使用戶(hù)能夠在無(wú)需開(kāi)發(fā)固件的情況下自行定義終端應(yīng)用的功能。該產(chǎn)品還具有28V的額定電壓、防止CC引腳短路到VBUS的短路保護(hù)、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和濕度檢測(cè)/防腐蝕等功能，適用于惡劣的工作環(huán)境。

MAX77958可通過(guò)其主I2C接口自主控制配套的充電器。MAX77961 是一款帶有集成FET的6A降壓-升壓充電器，可為大容量2S和3S鋰電池快速充電。它為USB PD充電提供寬輸入電壓范圍（3.5V至25V），不需要分立FET，并且不論在有無(wú)外部處理器的情況下都可以進(jìn)行配置。在輸入電壓為9VIN、輸出電壓為7.4VOUT、輸出電流為1.5AOUT時(shí)，其峰值效率為97%。

您可以使用 MAX77958EVKIT-2S6# （適配2S電池）或 MAX77958EVKIT-3S6# （適配3S電池）來(lái)評(píng)估這兩個(gè)器件。這兩個(gè)器件展示了MAX77958如何利用I2C對(duì) MAX77961充電器進(jìn)行控制。

這些器件屬于廣義USB Type-C和USB PD器件系列 。該系列包含高能效充電器和轉(zhuǎn)換器、耐用的自動(dòng)控制器、電源通路和保護(hù)IC。