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)。
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。
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。
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RDS(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。
编辑:hfy
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3.0协议要求,同时只使用一个IC,在降低成本的同时实现更高功率密度,易于大批量生产的PD产品还是有点难度。 1 PD和Type-C有什么区别? PD协议是USB-IF组织制定的快速充电协议之一。USB PD可通过USB
发表于 10-09 11:13
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, TPS709, MSP-TS430PT48随着Type-C的广泛应用,以往的USB充电方案也逐渐需要Type-C Power Delivery(PD)来实现更高效快捷的充电。以往的座充通常仅支持单电池充电,在
发表于 01-13 17:55
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LDR6028 SOP8 是乐得瑞科技针对 USB Type-C 标准中的 Bridge 设备而开发的 USB-C DRP 接口 USB PD 通信芯片。具备切换 Data Role 功能,实现边
发表于 11-12 14:22
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type-c接口PDHUB快充拓展坞方案,带HDMI,USB3.1接口,PD快充,方便连接设备充电。给客户提供更简洁方便的解决方案。
发表于 12-22 11:50
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计。 LDR6282的USB Type-C接口可以作为DRP角色。 LDR6282可为笔记本电脑,dogle,双USB-C接口盲插显示器,集线器和扩展坞提供完整的USB Type-C和USB-Power Delivery接口控制解决方案。
发表于 05-12 11:03
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LDR6290--单USB Type-C接口桌面显示器专用解决方案
发表于 05-12 15:10
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USB Type-C 转音频 + 快充芯片CH226, 主要针对 Type-C 耳机接口的手机在充电同时使用耳机问题。单芯片内嵌 USB PD控制器,轻松实现 PD 通讯控制,符合 USB
发表于 06-09 16:13
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USB Type-C 转音频 + 快充芯片LDR6023S, 主要针对 Type-C 耳机接口的手机在充电同时使用耳机问题。单芯片内嵌 USB PD控制器,轻松实现 PD 通讯控制,符合 USB
发表于 06-18 09:29
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USB Type-C 转音频 + 快充芯片CH226, 主要针对 Type-C 耳机接口的手机在充电同时使用耳机问题。单芯片内嵌 USB PD控制器,轻松实现 PD 通讯控制,符合 USB
发表于 07-23 15:57
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Type-C PD3.0适配器已经大量上市,这要求Type-C接口设备(TCD)配备灵活、精简且具成本效益的充电解决方案。本设计采用AP33771高效能USB PD3.0 Sink控制器IC,可提升充电宝、家用电器、无线电动工具等TCD设备的快充体验。
发表于 07-29 10:02
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Type-C 端口旨在支持符合 USB PD 标准的高功率功能,从而为笔记本电脑、手机、便携式扬声器和移动电源等设备提供更灵活、更快速的充电。
发表于 08-10 16:26
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USB Type-C 拓展坞主要用于Type-C接口功能扩展,可方便实现Type-C扩展USB3.0接口,DP/VGA/HDMI显示接口,Type-C充电口等应用。
发表于 09-05 14:33
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图1是本文提出的Type-C双电池快充解决方案的框图。Type-C快充协议由USB PD芯片TPS65987D来完成,充电芯片使用了TI最新的升-降压充电芯片BQ25790,电池包中的电量计芯片采用
发表于 03-22 10:28
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随着Type-C接口在手机、电脑等便携设备上普及,日常使用中或许会遇到如下问题。
为什么这个Type-C充电器充电这么慢?
电脑的Type-C充电器能给手机充电吗?
PD充电?Type-C充电?有
发表于 04-04 14:27
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