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來(lái)源：DigiKey 作者：Jens Wallmann 隨著(zhù)通用串行總線(xiàn) Type-C (USB-C) 端口越來(lái)越普遍，許多用戶(hù)都依賴(lài)這種端口為各種連接設備提供更高水平的電源。不過(guò)，USB-C 規范將“僅限 Type-C”設備的基本電源限制為最大 15 W（5 V，3 A）。 為了突破這一限制，設計人員可以增加 USB 功率輸送 (PD) 功能，并構建一個(gè)能在標準功率范圍 (SPR) 內提供高達 100 W (20 V, 5 A) 功率的 Type-C PD 設備�，F在，開(kāi)發(fā)人員不必再費盡心力地針對全面的 USB PD 協(xié)議進(jìn)行編程，而是能夠輕松地配置現成的 PD 控制器，并為 AC/DC 充電器、電流控制 USB 端口添加定制和優(yōu)化型 PD 功能。 本文概述了 PD 系統的核心要求。然后介紹 onsemi 的 FUSB15101MNTWG PD 控制器，并展示如何使用評估板、開(kāi)發(fā)軟件、編程/調試適配器和 PD 協(xié)議分析儀對預編程控制器固件開(kāi)啟快速配置。 具有協(xié)議控制式功率調節功能的開(kāi)關(guān)轉換器 曾幾何時(shí)，用于電池供電型設備的壁插式模擬充電器只有兩個(gè)組件：變壓器和整流器�，F在，要同時(shí)滿(mǎn)足更高能效、更高靈活性和不斷小型化方面的需求，使得為簡(jiǎn)單的電子設備供電成為一項復雜的工作。如今，基于微控制器的開(kāi)關(guān)轉換器必須通過(guò)復雜的協(xié)議與所連接的智能負載以動(dòng)態(tài)形式協(xié)商輸出功率。 USB PD 就是這樣一種協(xié)議。在該協(xié)議的 3.1 版中，通過(guò)智能 USB Type-C 電子標記電纜組件 (EMCA) 連接電纜協(xié)調高達 240 W 的電源線(xiàn)路功率，同時(shí)還保持了能夠兼容舊版 USB 標準的向后兼容性。然而，通過(guò) 24 針 USB-C 連接器對動(dòng)態(tài) PD 功率傳輸的控制遠遠超出了傳統四線(xiàn) USB 接口數據線(xiàn)上的靜態(tài)控制電壓。 USB PD 設備可作為面向下游端口 (DFP) 的電源、面向上游端口 (UFP) 的用電器（或“受電設備”）或以雙重角色端口 (DRP) 模式運行。PD 源設備在內部將上拉電阻器切換到兩路控制線(xiàn)（CC1 和 CC2）上；PD 受電設備通過(guò)內部下拉電阻進(jìn)行自身識別。 兩條 CC 線(xiàn)路同時(shí)用于以 300 kHz 的時(shí)鐘頻率傳輸長(cháng)度達 356 位的 PD 信息（圖 1）。較短的控制信息可協(xié)調兩個(gè)端口合作伙伴之間的信息流，而較長(cháng)的數據信息則用于協(xié)商電源并控制內置自檢 (BIST) 或傳輸具體的 OEM 內容。 
圖 1：PD 信息結構的動(dòng)態(tài)長(cháng)度可達 356 位。（圖片來(lái)源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供） PD 設備之間的功率協(xié)商 USB PD 3.0 SPR 定義了 5 V 至 20 V 之間的幾個(gè)固定電壓等級，并且僅支持最高 100 W 的靜態(tài)功率曲線(xiàn)。利用可編程電源 (PPS) 的擴展功能，USB 受電設備可根據自身需要，以 20 mV 為增量，實(shí)時(shí)請求 USB 電源提供 3 V 至 21 V 之間的電壓。 因此，PPS 簡(jiǎn)化了移動(dòng)設備中的開(kāi)關(guān)轉換器電子元件，從而減少了熱損耗，并通過(guò)優(yōu)化功率匹配加快了充電速度。USB PD 3.1 定義了最大 240 W 的擴展功率范圍 (EPR)，并使用可調電壓電源 (AVS) 在 15 V 至 48 V 之間的更高范圍內調節總線(xiàn)電壓。 由于 3 A 電流已超過(guò)普通 USB 電纜的載流能力，因此必須按照 USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 的規定使用 EMCA 特種電纜。這些電纜的特點(diǎn)是導線(xiàn)橫截面更大和電纜絕緣層更厚。電纜插頭中的 E-Marker 芯片可通過(guò) PD 協(xié)議確認這些強經(jīng)過(guò)化的電纜功能。這樣，這些芯片就會(huì )影響源設備和接收設備之間的功率協(xié)商。 PD 通信使用特殊的 K 碼來(lái)描述信息。表示序列開(kāi)始的特殊 K 碼序列稱(chēng)為數據包起始碼 (SOP)。在特殊 K 碼中定義了三個(gè)序列：SOP、SOP'和 SOP''，這樣 DFP（如 PD 網(wǎng)絡(luò )充電適配器等電源）就可以作為啟動(dòng)器與 EMCA 電纜連接器中的兩個(gè) E-Marker 芯片中的任何一個(gè)進(jìn)行通信，也可以與 UFP（USB 電源插座）進(jìn)行通信。 圖 2 中的流程圖顯示了通過(guò) EMCA 電纜連接的兩個(gè) PD 設備之間成功進(jìn)行功率協(xié)商期間的信息交換情況。
圖 2：兩個(gè) USB PD 設備通過(guò) EMCA 電纜成功進(jìn)行電源協(xié)商。注：Rqt = 請求；Ack = 確認。（圖片來(lái)源：摘自 embedded.com，由 Cypress Semiconductor 提供） 用配置取代程序 PD 協(xié)議復雜，給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了艱巨的編程工作。更快捷的方法是配置具有自定義功能的預編程 USB PD 控制器。這種控制器的的例子有 Onsemi 的 FUSB15101MNTWG。這是一款高度集成的 USB PD 3.1 控制器，可通過(guò)光耦合器控制 AC/DC 適配器的初級側開(kāi)關(guān)穩壓器，或直接控制 DC/DC 端口電流調節器。 這種一體化解決方案通過(guò)優(yōu)化硬件外設最大限度地降低了電路復雜性，具體外設包括數模和模數轉換器、NTC 溫度傳感和 NMOS 柵極驅動(dòng)器。帶有應用程序接口 (API) 的開(kāi)源固件和基于 Eclipse 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 為編程工作帶來(lái)了便利。 FUSB15101 集成了帶有 UART 接口的高效 Arm®Cortex® M0+ 處理器，且支持 PPS 規范，可將輸出電壓調節為 3.3 V 至 21 V。該器件提供可編程恒壓 (CV) 和恒流 (CC) 調節功能，并可對電纜損耗進(jìn)行補償。此外，還具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)熱保護功能，以及在 USB-C 連接器引腳上配備了過(guò)壓保護二極管。PD 控制器支持向 EMCA 電纜中的 E-Marker 芯片提供 VCONN 電源，其空閑和睡眠模式符合合格證 (CoC) 和實(shí)驗設計 (DOE) 要求。 典型應用： · 符合 USB PD 標準的 AC/DC 適配器（見(jiàn)應用 1） · 符合 USB PD 標準的 DC/DC 端口（見(jiàn)應用 2） 應用 1：AC/DC 開(kāi)關(guān)電源具有 USB PD 輸出 在此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器通過(guò)光耦合器控制 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源初級側的 NCP1345Q02D1R2G 準諧振 (QR) 反激式開(kāi)關(guān)穩壓器。NCP1345 把變壓器輔助繞組提供的 9 V 至 38 V 電壓作為工作電壓，同時(shí)通過(guò)第二個(gè)輔助繞組產(chǎn)生四倍高的電壓，以便在 USB 輸出電壓低至 3.3 V 時(shí)為 MOSFET 提供足夠的開(kāi)關(guān)電壓。在次級側，NCP4307AASNT1G 控制器控制同步整流。將這三個(gè)集成電路組合在一起，就能產(chǎn)生一個(gè)在不同 PD 功率曲線(xiàn)下，效率始終保持在 90% 左右的“換檔”電源。 圖 3 顯示了基于三個(gè)集成電路的 USB-C PD 3.0 PPS 主充電器的主電路圖，其輸出功率為 65 W (20 V/3.25 A)。
圖 3：在這個(gè) USB PD 壁插式充電器解決方案中，FUSB15101 通過(guò)光耦合器控制 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源初級側的 NCP1345 QR 反激式開(kāi)關(guān)穩壓器。（圖片來(lái)源：Onsemi） 編程人員可使用 onsemi 的 NCP1342PD65WGEVB 評估板（如圖 4 所示）啟動(dòng)其 USB PD 電源應用。
圖 4：使用 NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 壁插式充電器評估板，編程人員可以立即開(kāi)始工作。（圖片來(lái)源：Onsemi） 該電路板的存儲扼流圈由緊湊的 RM8 變壓器組成，可提供 60 W (20 V/3 A) 的輸出功率。NCP1342BMDCDD1R2G 準諧振反激式開(kāi)關(guān)穩壓器僅靠一個(gè)輔助繞組提供的 9 V 至 28 V 的電壓工作。該器件適用于開(kāi)發(fā)高性能離線(xiàn)電源轉換器和 USB PD 適配器，具有快速頻率折返 (RFF) 功能，這有助于在整個(gè)負載范圍內實(shí)現效率。集成的有源 X2 放電電容器消除了對放電電阻的需求，并能使空載功耗低于 40 mW。 應用 2：用于 USB PD 端口的 DC/DC 電流控制器 在此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器驅動(dòng) NCV81599MWTXG 四級降壓/升壓、升壓/降壓 DC/DC 轉換器控制器。這樣，原本只能輸出 15 W 功率的 USB-C 端口就可擴展為 PD 電源，提供超過(guò) 60 W 的功率并通過(guò)器件內部的直流電源或電池供電（圖 5）。
圖 5：在該 DC/DC 端口電流控制器應用中，FUSB15101 直接控制四級 DC/DC 轉換器控制器 NCV81599。（圖片來(lái)源：Onsemi） 通過(guò)使用 FUSB3307MPX-PPS-GEVB 評估板，開(kāi)發(fā)人員可以節省時(shí)間，立即開(kāi)始使用 NCV81599 進(jìn)行測試和編程。此 DC/DC 電流調節器電路將 USB 端口轉換為 PD 3.0 PPS 電流源，同時(shí)在總線(xiàn)電壓為 3.3 V 至 21 V 時(shí)提供高達 5 A 電流輸出（圖 6）。該電路可檢測 E-Marker 電纜，既能獨立運行，也可連接測試設備。
圖 6：FUSB3307MPX-PPS-GEVB 是 NCV81599 的評估板，可將 USB 端口轉化為 PD 3.0 PPS 電源。（圖片來(lái)源：Onsemi） DC 電源或電池向 FUSB3307 板的 VBAT 輸入提供 4.5 V 至 32 V 電壓。該電路可應對恒壓 (CV) 或恒流 (CC) 規范，并具有過(guò)壓、欠壓、短路、過(guò)熱和電纜故障保護功能。 對 FUSB15101 進(jìn)行編程 FUSB15010 固件是一款高度優(yōu)化型 Type-C PD 控制器驅動(dòng)器，支持集成的 Arm Cortex M0+ 處理器。該固件可靈活處理新的 PD 信息和額外的 Type-C 狀態(tài)流。以模塊化方式組織代碼，將應用源代碼、硬件抽象層、平臺相關(guān)代碼和 USB Type-C PD 核心功能分離。 PD 核心功能可通過(guò)項目構建選項或通過(guò)修改供應商信息文件 "vif_info.h" 進(jìn)行配置。代碼庫包括一個(gè)可使用 IDE 編譯的 Eclipse 示例項目，從而加快了評估 Type-C PD 獨立控制器的啟動(dòng)速度。 表 1 概述了由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件；PDO 是電源交付對象。
表 1：所示為由 FUSB15101 支持的 PD 配置文件。（表格來(lái)源：Onsemi） 如前所述，充電配置文件的參數可以在 "vif_info.h "文件中輕松修改。以下代碼顯示了如何將 PDO 4 中的最大電流從 20 V/3 A 改為 20 V/3.25 A： 當前的 PDO 值： #define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV #define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 300 // 3.00 A 新 PDO 值： #define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV #define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3.25 A 有關(guān)安裝 IDE 以及固件導入和編譯二進(jìn)制文件的更多詳情和說(shuō)明，請參閱 FUSB15101EVBSPG 指南。 UM70086-D 用戶(hù)手冊介紹了編程工具的安裝和一次性閃存的操作步驟。Segger Microcontroller Systems 的 8.08.91 J-LINK EDU MINI 是一款合適的 Arm Cortex-M 編程和調試適配器，可促進(jìn)開(kāi)發(fā)工作。 檢查 PD 通信 要驗證兩個(gè) USB PD 設備之間的通信，開(kāi)發(fā)人員可以使用 Infineon Technologies 的 CY4500 協(xié)議分析儀，該分析儀支持 USB PD 3.0 和 USB-C 規范。該分析儀可執行非侵入式測試，并準確捕捉 CC 線(xiàn)路上的協(xié)議信息。相關(guān)的 EZ-PD 分析軟件詳細列出了兩個(gè) USB PD 設備和一條 EMCA 電纜之間所有的對話(huà)信息（圖 7）。
圖 7：EZ-PD 分析軟件通過(guò) CC 線(xiàn)路跟蹤兩個(gè) USB PD 設備之間的對話(huà)。（圖片來(lái)源： Infineon Technologies） 結束語(yǔ) 對調節設計以滿(mǎn)足終端用戶(hù)設備日益增長(cháng)的電源需求來(lái)說(shuō)，雖然了解 USB PD 協(xié)議的基本原理非常重要，但這是一個(gè)復雜的協(xié)議，可能需要大量的編程工作。為了節省時(shí)間，開(kāi)發(fā)人員可以使用預編程、高度集成的 USB PD 控制器，將 USB-C 的 15 W 功率提升到 100 W 以上。AC/DC USB 充電器以及 DC/DC USB 端口只需配置 PD 控制器，即可增強定制 PD 功能。利用評估板和 PD 協(xié)議分析儀可促進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程。 |
