USB Power Delivery (USB-PD) 设计的快速实用视角

时间:2025-06-09
  USB Power Delivery (USB-PD) 现在提供了更快、更高效、更灵活的电源处理解决方案。正如我们所见,这是一个令人兴奋的进步,显著增强了 USB 连接的功能。
  这种机制使用 USB 配置通道(CC)允许设备请求特定的电压。虽然乍一看可能显得有些复杂,但实际上在实践中使用起来非常简单.
  现在使事情变得容易的是,我们可以购买紧凑型 USB-PD 触发器/诱饵模块来为我们处理复杂的后台任务(图 1)。您可以看到,这样的模块有多个跳线来设置直流输出电压为 5V、9V、12V、15V 或 20V。
  该模块作为触发器或诱饵,用于从 USB-PD 电源(如 USB-C 充电器、电源银行和适配器)请求特定的电源配置文件。因此,通过该模块,您可以触发 USB-PD 协议,例如,使用支持 USB-PD 的 USB-C 电源适配器为您的笔记本电脑充电。
  注意到这一点,USB-PD 触发器,有时称为 USB-PD 诱饵,是一种小型但聪明的电路,负责处理 USB-PD 协商并输出预定义的直流电压。
  一些 USB-PD 触发器/诱饵模块可以通过选择开关进行调整,或者通过按压按钮切换电压,而其他模块则提供固定电压输出,或者通过焊盘跳线(或安装固定电阻的焊盘)来选择输出电压。这些模块的输出连接点通常只是两个裸焊盘,某些情况下是小型螺钉端子(图 2)。
这些更小更纤薄的 USB-PD 触发/诱饵模块只需几美元,对于个人项目和应急使用都非常有用。在我看来,对于大多数应用来说,固定电压类型的电源提供者更佳,这可以防止意外操作导致的电源消费者损坏。

基于 CC1/CC2 引脚,USB Type-C 设备的插拔过程会自动检测。芯片集成了电源传输协议分析器,可以获取电压能力并请求匹配的电压。

图 4 该示意图展示了基于 USB Type-C PD 协议 IC 的设计用例。Injoinic Technology
新到的模块——设计用于单一固定电压输出——仅包含基本的 IP2721 控制器配置,没有功率传输元件。
图 5 该模块仅包含基本的 IP2721 控制器配置。
因此,输出电压将是 V BUS ,这可能是初始枚举时的 5 V,或者在协商失败的情况下保持这个电压。幸运的是,对于许多应用来说,这不会成为大问题。但就纸面上而言,为了符合 USB 电源传输规范,该设备应该有一个高侧功率 MOSFET 作为功率传输元件,在达成合适的电源协议之前断开负载。

为了这次写作,我需要测试模块的输出。因此,下面你可以看到我 IP2721 USB-PD 触发 9 V 模块的次测试截图;仅是用兼容的电源和直流电压表测试模块的过程。

图 6 中的电压表显示了基于 IP2721 的 USB-PD 模块的输出。作者
,关于电源传输的一些注意事项。
USB-PD 是一种方便的替代许多电子项目和系统中的电源模块的方法。尽管 USB-PD 需要专门的控制器芯片才能正确使用,但单用途的 USB-PD 触发/诱饵模块在独立系统中可用,可以提供 USB-PD 功能。
有趣的是,传统的 USB 只能提供 5V 电源,而 USB-PD 则定义了如 9V、15V 和 20V 等规定电压,除了 5V 之外。
直到近,USB-PD 规范允许双向流动高达 100 W(5 A@20 V)的功率,称为标准功率范围(SPR)。的 USB-PD 规范通过 USB-C 线缆将功率范围提高到 240 W(5 A@48 V),称为扩展功率范围(EPR)。因此,如果设备支持 EPR 扩展命令,它可以使用 28 V、36 V 和 48 V。
由于的 USB-PD 规范允许通过单根线缆实现高达 240 W 的功率传输,因此可以通过 USB 为多个电路段或设备同时提供充足的电源。
当需要 V BUS 电流超过 3 A 时,Type-C 线缆需要进行电子标记。电子标记(E-Marked)线缆组件(EMCA)是使用标记芯片向下游面向端口(DFP)提供线缆特性的 USB Type-C 线缆。这通过将 USB PD 控制器芯片嵌入线缆的一端或两端的插头来实现。
USB-PD 可编程电源供应(PPS)是在 USB PD3.0 中实现的。通过 PPS,设备可以在 5 伏到 20 伏的范围内逐步调整电流(50 毫安步进)和电压(20 毫伏步进)。PPS 可以直接给电池充电,绕过连接设备中的电池充电器。
可调电压供应(AVS)是在 USB PD3.1 中实现,并在 PD3.2 中扩展,使其可以在 100 瓦以下的 SPR 范围内工作,至 9 伏。AVS 在功能上类似于 PPS,但不同之处在于它不支持电流限制操作,输出电压在 9 伏到 48 伏的范围内以 100 毫伏步进进行调整。
请注意,结合了 USB-C 的 USB-PD 充分利用了 USB-C 上的电源供应和多协议功能。为便携式电池供电设备实现 USB-C,使其既能从 USB-C 端口充电,也能通过同一端口向连接的设备供电。
因此,现在使用单电池或多电池充电器的设备可以与 USB-C 或 USB PD 控制器配对,这使得应用程序能够从 USB-C 端口吸取和提供电源。以下是一个基于 MP2722 的应用电路,MP2722 是一款符合 USB Type-C 1.3 标准、高度集成的 5-A 开关模式电池管理器件,适用于单节 Li-ion 或 Li-polymer 电池。
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