充USB開(kāi)發(fā)者聯(lián)盟（UBS-IF）推出的USB供電（USB PD）標準最新3.0版本將引發(fā)電源適配器、移動(dòng)電源和充電器制造商為筆記本電腦、平板電腦和手機等新消費類(lèi)設備開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的浪潮。通過(guò)USB Type-C連接器實(shí)現的USB PD 3.0可使用最大20伏 / 5安電源，將USB接口的額定功率從7.5瓦提高到最高100瓦。通過(guò)引入USB PD 3.0，使通過(guò)USB Type-C的電池可快充和為一體式PC的供電系統成為可能。

 

隨著(zhù)USB Type-C接口標準的推出，全新USB PD 3.0標準將得到認可。USB Type-C標準提供了一種新的連接器/插座設計。這種USB-C插頭可雙向插接，更便于用戶(hù)使用。相比于熟悉的USB Type-A連接器，此USB-C連接器更小，并能夠承載HDMI，DisplayPort通信以及USB通信（請參見(jiàn)圖1）。

 

關(guān)鍵的是，USB-C連接器也可與USB PD 3.0兼容。因此，電源適配器制造商現在可以生產(chǎn)通過(guò)一個(gè)采用標準外形和協(xié)議的小型雙向連接器提供高達100瓦功率的電源或充電器。這意味著(zhù)，消費者將會(huì )很快熟悉并理解這項技術(shù)，該技術(shù)還使得任何USB-C設備可進(jìn)行互操作。

 

這看上去是一個(gè)不錯的理念。實(shí)際上，分析師同樣認為在2016年至2021年期間，采用USB-C接口的USB PD設備的關(guān)鍵控制器組件市場(chǎng)將實(shí)現89%的年復合增長(cháng)率。

 

圖1：標準USB-C接口可以替代消費類(lèi)設備中的多個(gè)其他接口

 

然而，生產(chǎn)一種單元緊湊、材料成本具有競爭力且具備上述所有優(yōu)點(diǎn)的功率器件，比系統設計師所想象的更具挑戰性。

 

首先，我們可以預見(jiàn) ，USB-C和USB PD標準將確保不同制造商產(chǎn)品之間的互操作性，有助于維持消費者對USB接口作為多種設備充電和供電渠道的信心。實(shí)際上，USB標準本身和與UBS并存的標準（例如用于移動(dòng)設備Quick Charge的Qualcomm QuickCharge技術(shù)）都需要定期修訂和更新，以考慮新興用戶(hù)需求和新技術(shù)功能。Quick Charge技術(shù)最新版本是4.0版。這意味著(zhù)自v1.0發(fā)布以來(lái)已經(jīng)進(jìn)行三次重大修改，而且4.0版本不可能是最后一次。

 

與此同時(shí)，USB PD 3.0標準本身不僅僅是一個(gè)設置用電設備輸入電壓和電流限制的電源規格，它的作用更多的是關(guān)于通信協(xié)議，通過(guò)這些協(xié)議，連接的設備可以建立自己的身份，執行功能以及在任何給定場(chǎng)景中作為供電方或用電方需要扮演的角色。該標準還包括可以產(chǎn)生可變輸出功率，適用于多種終端設備的可編程電源相關(guān)規定。的。

 

總之，負責設計具有USB PD 3.0功能的USB-C電源適配器或充電器的工程師通常需要：

 

•達到USB PD 3.0規范要求

 

•在設計中提供定期更新范圍以考慮規格變化

 

•提供如可編程電源和支持Quick Charge技術(shù)的理想功能

 

 

一個(gè)能夠滿(mǎn)足上述要求的USB-C PD3.0系統具有一定的功能要求，其中的一些要求將分別通過(guò)硬件和軟件實(shí)現。

 

•USB PD電源控制器

 

•電壓調節器，從而為電源控制器和其他有源組件供電

 

•一個(gè)高壓P - MOSFET，根據來(lái)自USB PD功率控制器的脈寬調制信號向用電設備供電

 

•驅動(dòng)MOSFET的高壓門(mén)極驅動(dòng)器

 

•USB-C標準中規定的配置通道（CC）上的短路保護。 CC總線(xiàn)用于傳送PD協(xié)議信號。

 

•輸入電源總線(xiàn)（VBUS）上的過(guò)電流保護

 

•靜電放電保護

 

在軟件中，電源適配器需要實(shí)現USB-C和USB PD3.0協(xié)議并在必要時(shí)兼容Quick Charge協(xié)議。

 

通過(guò)使用多個(gè)分立組件，可以實(shí)現上述硬件和軟件功能：通常通過(guò)一個(gè)微控制器執行系統控制和電源控制功能并運行協(xié)議軟件，此外還有分立MOSFET、柵極驅動(dòng)器以及過(guò)流、過(guò)壓和靜電放電保護組件。

 

以這種方式通過(guò)使用多個(gè)分立元件來(lái)實(shí)現USB-C電源適配器，移動(dòng)電源或充電器具有以下缺點(diǎn)：

 

•需要很多組件

 

•多個(gè)組件在電路板上的占用面積較大，使PCB變得更大、更復雜和更昂貴

 

•由多個(gè)固定功能硬件組件組成的系統不具有靈活性，因此更加難以根據規格或用戶(hù)要求的變化實(shí)現快速更新設計

 

 

為了避免產(chǎn)生這些缺陷，賽普拉斯半導體在2017年上半年推出了用于USB-C的CCG3PA高集成電力傳輸控制器。在CCG3PA中，除了高壓電源開(kāi)關(guān)之外，其他硬件功能被集成到一個(gè)芯片系統中。 賽普拉斯提供USB-C、USB PD 3.0和Quick Charge 4.0協(xié)議棧，且該軟件在帶有同時(shí)讀寫(xiě)功能的64kB閃存支持的ARM®Cortex®-M0處理器內核上運行，因此更便于進(jìn)行應用固件升級，保持互操作性。 CCG3PA在出廠(chǎng)時(shí)已通過(guò)符合USB PD 3.0標準的認證。該芯片還經(jīng)過(guò)Quick Charge 4.0、3.0和2.0認證。

 

如圖2所示，CCG3PA具有高集成度，與通過(guò)使用分立組件實(shí)現的功能等效系統相比，具有組件數量更少、電路板占位面積更小、電路板布局更簡(jiǎn)單以及材料成本和PCB成本更低的優(yōu)勢。

 

圖2：CCG3PA電源控制器如何實(shí)現BoM集成

 

這些適用于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統級優(yōu)勢十分重要，但在設計周期中還有一點(diǎn)非常重要：CCG3PA得到了一套完整全面開(kāi)發(fā)資源的支持，與使用分立組件的普通開(kāi)發(fā)流程相比，可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。這些資源包括：

 

•用于45W USB-C筆記本電源適配器以及最大功率為27W的移動(dòng)設備充電器的獨立參考設計。這兩種參考設計均帶有包含電路原理圖的文件。

 

•綜合全面的CCG3PA評估套件（部件號CY4532），包含一個(gè)USB-C受電或充電端口和一個(gè)USB Type-A充電端口。該評估套件可用于為筆記本電腦、手機和其他USB設備供電和充電以及并為單或雙電池USB-C移動(dòng)電源充電。

 

這些參考設計和評估板共同為許多終端產(chǎn)品設計提供了先進(jìn)的藍圖，只需進(jìn)行少量修改就能滿(mǎn)足特定的客戶(hù)需求。

 

 

CCG3PA采用24引腳QFN或16引腳SOIC封裝，是一款適用于符合USB PD 3.0 標準的USB-C上的緊湊型系統級芯片，只需添加外部MOSFET和AC-DC轉換器即可成為一個(gè)符合最新USB供電標準的完整離線(xiàn)電源適配器/充電器。

 

CCG3PA適配器和充電器綜合解決方案提供適用于多個(gè)終端設備的可編程電源，并支持Qualcomm Quick Charge充電技術(shù)。與使用分立元件的任何技術(shù)相比，可節省開(kāi)發(fā)時(shí)間、BoM成本和空間。