USB Type-C® (USB-C®) 是業界標準連接器，可在單一介面上傳輸資料和電力，在個人電子產品、汽車、工業和企業系統中廣泛應用。USB 電力輸送 (PD) 是使用 USB-C 連接器來提升 USB-C 介面功能的標準。直到最近，USB PD 3.0 規格允許雙向傳輸高達 100W (20V，5A) 的功率，現在稱為標準功率範圍 (SPR)。最新的 USB PD 3.1 規格可透過 USB-C 纜線將功率範圍增加至 240W (48V，5A)，現在則稱為延伸功率範圍 (EPR)。
表 1 顯示 EPR 與 SPR 的比較。
| 功率範圍 | 可用電流與電壓 | 電力輸送設定檔範圍 | 附註 |
|---|---|---|---|
| SPR | 3A：5V、9V、15V、20V 5A 1：20V |
15W-60W >60W-100W |
|
| EPR | 5A 2：28V、36V、48V | >100W-240W | 需要進入 EPR 模式 |
- 需要 5A 纜線。
- 需要 EPR 纜線。
EPR 允許支援高達 240W 的功率 (5A 時為 28V、36V 和 48V)。EPR 模式對汲極評估和回應新來源功能訊息的要求與典型 USB PD 合約協商中的要求相同。進入 EPR 模式後，連接埠即開始協商高達 240W (48V，5A) 的電力輸送物件 (PDO)。48V 限制代表在考慮設計安全容限時的實際限制。
在 EPR 模式中的固定電壓位準延伸上，電源供應也必須遵循可調整電壓供應 (AVS) 的規格。在 EPR 模式中，AVS 讓汲極能夠以 100mV 為步進，在 15V 和 48V 之間微調電壓，以提升性能和熱效率。AVS 也提供汲極接收任何充電器電壓的彈性，讓您可避免自訂轉接器，並在電子生態系統中建立一致的使用者體驗。
圖 1 顯示與 SPR 和 EPR 功率位準相關的可編程電源供應器 (PPS) 和 AVS 範圍。雖然 PPS 和 AVS 均具有可編程的步進距離，但這兩者並不相同，且用途也不同。AVS 可做為恆壓電源，並為系統提供穩定 DC 電壓，以提升效率。PPS 的步進距離視窗較小 (20mV)，可繞過連接裝置中的電池充電器，直接為電池充電。AVS 和 PPS 之間的主要區別在於，使用 PPS 時，協商電壓會隨時間不斷變化。隨著電池充電，所需的 PPS 充電電壓將會增加。AVS 設計為恆定電源供應，可提供更接近系統整體所需電壓位準的系統輸入電壓。
圖 1 來源所需的 USB PD 3.2 電壓電池供電產品和新一代解決方案
採用 USB-C 後，Bluetooth® 喇叭和電動工具等可攜式電池供電產品將可從中獲益。若為這類產品實作 USB-C，即可讓產品從 USB-C 連接埠充電，並使用相同連接埠為連接的裝置供電。使用單芯或多芯電池充電器的產品現在可與 USB-C 或 USB PD 控制器配對，讓應用能從 USB-C 連接埠獲取和吸收電源。
圖 2 說明轉換至 USB-C 和 USB PD 的裝置典型架構。
圖 2 USB-C 電池供電產品方塊圖為協助簡化電池供電產品的 USB PD 連接埠設計，TI 的 USB PD 控制器新增了 I2C 主機支援，以直接控制電池充電器。此整合式 I2C 主機控制將可實現雙晶片解決方案，無需外部微控制器 (MCU)。USB PD 控制器會根據 USB PD 連接埠的電源協商，透過 I2C 自動更新電池充電器的充電參數。此外，您無需開發韌體即可將 USB PD 連接埠新增至電池供電產品。TPS25751 和 TPS26750 是兩款用於 USB-C 與電池充電器配對的 USB PD 控制器。
TPS25751 是一款 SPR PD 控制器，而 TPS26750 則是能夠協商完整 240W EPR 的 EPR PD 控制器。表 2 顯示推薦的 USB PD 控制器和電池充電器配對。這些配對的參考設計可讓您將複製及貼上至應用項目。
| 支援的最大功率位準 | 支援的串聯電池芯數 (S) | 推薦的 USB PD 控制器 | 推薦的電池充電器 | 參考設計 |
|---|---|---|---|---|
| 100W 汲極 45W 源極 |
1-4 | TPS25751 | BQ25798 | 整合式 USB Type-C® 電力輸送 (PD) 和 2-4 芯電池的充電參考設計 |
| 100W 汲極 100W 源極 |
1-5 | TPS25751 | BQ25731 | 適用於一至五節電池的整合式 USB Type-C® PD 雙向充電參考設計 |
| 100W 汲極 100W 源極 |
1-16 | TPS25751 | BQ25756 | 100W 整合式 USB Type-C® PD 雙向充電器參考設計 |
| 240W 汲極 240W 源極 |
1-16 | TPS26750 | BQ25756 | 240W USB Type-C PD3.1 EPR 電池充電器參考設計 |
參考設計
為了支援完整的 240W 延伸電源範圍，240W USB Type-C PD3.1 EPR 電池充電器參考設計可將 TPS26750 與我們的 BQ25756 雙向降壓升壓充電控制器配對使用。如圖 3 所示，此參考設計可將這兩個裝置配對至單一印刷電路板，無需外部 MCU 或客製化韌體即可實現雙向 240W 解決方案。
圖 3 EPR 電池充電器參考設計方塊圖電池充電器參考設計是一種整合式 USB PD 和充電參考設計，適用於電動工具、吸塵器、可攜式充電器和電動自行車等產品的 7 至 14 芯電池。TPS26750 可透過簡單的 I2C 通訊與 BQ25756 搭配使用，無需開發韌體。透過使用 TI USB PD 控制器的應用程式自訂工具，即可輕鬆對 TPS26750 進行編程。
此電池充電器設計可透過 USB PD 3.1 合規輸入來源支援最大 240W 的電池充電，並可在隨插即用模式下提供最大 48V 5A 輸出。BQ25756 實作了四開關降壓升壓充電器，可在降壓、降壓升壓和升壓模式之間轉換。高度整合且簡易的設計可降低物料清單成本、縮小尺寸與縮短上市時間。
結論
在最大功率範圍新增加後，USB-C 逐漸成為未來的通用連接器。雖然 USB-C 可能被視為一項具有挑戰性的新技術，但 TI 解決方案可從軟體和硬體兩個角度提供整合，以簡化您的設計程序。我們的 USB PD 控制器和電池充電器配對，再搭配我們的參考設計，可有效縮小解決方案尺寸並縮短上市時間。
其他資源
- 觀看我們最新的示範，USB Type-C 電力輸送 3.1 延伸功率範圍 + 電池充電器應用示範
- 觀看我們的影片，USB Type-C：連線未來
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