USB Type-C 连接器和电源传输 (PD) 规范为移动设备行业带来了翻天覆地的变化，USB Type-C PD 3.0 可以优化便携式设备的电池充电。用于消费
电子产品和计算设备连接以及 PD 的单
电缆解决方案简化了消费者的生活，他们长期以来一直为手机、平板电脑和笔记本电脑的大量专有电源
适配器所困扰。它还有助于推动充电器设计的创新，包括越来越小的外形尺寸和变体，例如不同的功率级别、电源砖中的两个或更多充电端口以及汽车适配器。
在 USB Implementer's Forum 的主持下开发，随后被采纳为国际电工委员会 (IEC) 标准，USB-PD 有两个兼容规范；两者都支持功率水平高达 100 W 的双向充电。个 - Power Delivery 2.0 - 在特定工作电流（例如 3 A）下支持固定输出电压，包括 5、9、12、15 或 20 V。第二个规范—PD 3.0—包括可编程电源 (PPS)，该功能允许在 3.3 至 21V 的电压范围内以小至 20 mV 的增量调整 USB Type-C 充电器的输出电压。使用 PD 3.0 PPS USB-C 充电器，便携式设备可以优化电池充电时间和电池寿命。
本文概述了典型电池充电系统的工作原理，回顾了 USB Type-C 供电规范以及 PD 2.0 和 PD 3.0 规范之间的差异。然后，本文将比较使用非 PPS 充电器和 PPS 充电器对智能手机等各种接收设备的充电，以说明设计支持 PPS 的通用 USB Type-C 充电器的优势。，本文将提供一个基于USB控制器芯片的USB Type-C PPS
电源适配器设计实例。
电池充电基础知识
手机和平板电脑通常使用 1 至 2 芯锂离子电池，而笔记本电脑通常使用 3 至 4 芯电池。在所有情况下，电池的性能和电池寿命都取决于两阶段的高效充电：
恒流充电
恒压或饱和充电
如图1所示，为单节锂离子电池充电的阶段是施加恒定电流（0.5 至 1.0 库仑），直到电池电压达到每节 4.2V。一旦电池电压达到 4.2V，电池就会进入第二种充电状态，称为饱和充电，此时会保持 4.2V 的恒定电压，同时充电电流会随着时间的推移下降到初始充电率的 10% 以下。
锂离子电池单元的电压与电流充电曲线图图 1该图显示了锂离子电池的电压与电流充电。资料
一个典型的电池充电系统，如图2所示，包括一个微控制器 (MCU)，它根据锂离子电池的数量管理充电电压和电流，并监控电池以防止不同的故障情况，例如过电压、过电压电流和过温。电池充电 IC 采用 V BUS /DC 电压输入，并转换为电池充电所需的必要充电电压和电流。这种转换会导致功率损耗和散热，从而导致手机和笔记本电脑等设备在设备充电期间变热。
典型电池充电过程图图 2典型的电池充电包括一个 MCU 和一个电池充电 IC。资料
比较 PD 2.0 和 PD 3.0
PD 2.0规范允许source（充电器）以允许电流向sink（移动设备）提供5、9、12、15和20V等固定电压。
初连接设备时，电源通过 V BUS提供 5V 电压。
如果源发现它连接到 USB Type-C 电缆，它会发送一条 Source_Capabilities 消息；一系列 32 位功率传输对象 (PDO) 指定了每个固定电压和它可以传输的允许电流。
接收器设备以 32 位请求数据对象 (RDO) 响应，指示其所需的源电压和电流。
当电池充电时，接收器会定期与源重新协商以增加或减少电压和/或电流。在每次电源转换期间，接收器需要将功耗降低到 2.5 W (pSnkStdby)，直到源接受请求并首先发送 Accept 消息，然后发送 PS-RDY 消息。
USB PD 3.0规范引入了PPS的概念；它提供 3.3 至 21V 的输出电压范围，而不是按照 USB PD 2.0 规范的固定电压。PPS 电源适配器的电源功能由增强供电对象 (APDO) 消息公开，该消息通告和电压水平以及电流水平。PPS 电源适配器的输出电压可以在此标称范围内以 20 mV 的增量进行编程调整。除了这种更大的灵活性，PD 3.0 还支持固定 PDO 向后兼容。使用 PPS 接收器设备，在重新协商 V BUS时不需要降低功耗 (pSnkStdby)电压和电流。接收器设备需要以多 10 秒的间隔向源发送请求消息，以避免硬重置。
在恒压 (CV) 模式下工作时，电源会努力在 V BUS上保持恒定电压输出，即使 V BUS负载电流发生变化也是如此。然而，V BUS负载电流也必须保持在可编程 RDO 中要求的工作电流范围内。如果 V BUS负载电流增加到超过请求的工作电流，则电源切换到恒流 (CC) 模式。
在 CC 模式下运行时，源通过降低 V BUS电压以响应电流消耗的增加来维持恒定电流。如果 V BUS负载电流继续增加，电源将继续降低 V BUS电压，直到 V BUS达到 3.3V。如果接收器试图吸收更多电流，源将发送硬重置并重置连接。
固定 PDO 源（适配器）仅支持固定 PDO，而 PPS APDO 适配器也支持 APDO（表 1）。
表 1 USB-C 固定 PDO 适配器与 PPS APDO 适配器。资料
USB-C 固定 PDO 适配器和 PPS APDO 适配器比较表
如前所述，供电规范保持向前兼容性：传统的固定 PDO 适配器可与固定 PDO 接收器和新的 PPS 接收器一起使用。它还保持向后兼容性：新的 PPS APDO 适配器适用于 PPS 接收器和传统的固定 PDO 接收器。但是，当 PPS 接收器连接到传统的固定 PDO 适配器时，与使用 PPS APDO 适配器充电相比，充电需要更长的时间。
进行了一项实验来比较固定 PDO 与 PPS APDO 的充电时间。测试展示了 PPS APDO 充电器如何通过为新 PPS 设备提供快的充电时间来提供用户体验，同时继续支持旧的（非 PPS）设备而不会降低性能。它还展示了能够使用现有的固定 PDO 充电器为新的 PPS 设备充电的便利性，尽管速度较慢。
表2在使用的三个独立充电器中，一个是新手机附带的USB-C PD 3.0设备，另外两个满足PD 2.0规范。资料
三款充电器对比表
这些充电器用在两个接收器设备上：一个新的支持 PD 3.0 的手机和一个支持 PD 2.0 的手机。如表 3所示，匹配的 PD 3.0 源设备和接收设备充满电的时间为 60 分钟，而同一部手机在使用 PD 2.0 兼容源充电时为 80-90 分钟。在 60 分钟标记处，支持 PD 2.0 的充电器已达到充满电的 80%，分别需要 20 分钟和 30 分钟才能完成充电。对于较早型号的手机，所有三个源设备的充电时间都相同。
表 3比较了支持 PD 3.0 和 PD 2.0 的移动设备的充电时间。资料
PD 3.0 和 PD 2.0 就绪移动设备的充电时间比较表
USB PD 3.0充电器设计
英飞凌有两种适合实现PPS充电器的USB控制器方案：CCG3PA和PAG1P+PAG1S。
CCG3PA ，如图 3所示，是一款用于 DC/DC 汽车充电器的 USB PD 控制器。它具有集成的 32 位 Arm Cortex-M0 处理器、64 KB 闪存、8 KB RAM、内置 USB Type-C 收发器、两个 ADC、两个可编程通信接口、四个定时器模块、集成反馈控制电路电压调节，以及用于实现 PPS 恒定电压和恒定电流模式的硬件模块。
USB PD 控制器框图图 3该框图显示了 USB PD 控制器的主要构建块。资料
PAG1P + PAG1S是针对次级控制 AC/DC 反激转换器拓扑中的 USB-C PD 3.0 设计优化的双芯片解决方案。如图 4所示，PAG1S 器件执行电压和电流调节，而 PAG1P 提供启动功能、驱动初级 FET 并响应故障条件。PAG1P还支持X-cap放电模式，以达到更好的效率。另一方面，PAG1S 集成了同步整流驱动器、USB PD 控制器、30V 耐压稳压器、高压 NFET 栅极驱动器、OVP、SCP 和 OCP 保护。
PAG1是次级侧控制的反激式解决方案，支持动态可变开关频率，从而确保能效和可靠性。
PAG1 次级侧控制反激式解决方案的框图图 4双芯片解决方案针对次级控制 AC/DC 反激式转换器拓扑中的 USB-C PD 3.0 进行了优化。资料
单芯片和双芯片设备都带有参考设计，将控制器选项与业界广泛的电源开关（包括硅 MOSFET 和 Gan HEMT）相结合，以实现稳健、高功率密度、低成本和可扩展的充电器设计。
