充USB開發(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設備開發(fā)新產(chǎn)品的浪潮。通過USB Type-C連接器實現(xiàn)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。通過引入USB PD 3.0，使通過USB Type-C的電池可快充和為一體式PC的供電系統(tǒng)成為可能。

 

隨著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（請參見圖1）。

 

關鍵的是，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(xiàn)在可以生產(chǎn)通過一個采用標準外形和協(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，消費者將會很快熟悉并理解這項技術，該技術還使得任何USB-C設備可進行互操作。

 

這看上去是一個不錯的理念。實際上，分析師同樣認為在2016年至2021年期間，采用USB-C接口的USB PD設備的關鍵控制器組件市場將實現(xiàn)89%的年復合增長率。

 

圖1：標準USB-C接口可以替代消費類設備中的多個其他接口

 

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)點的功率器件，比系統(tǒng)設計師所想象的更具挑戰(zhàn)性。

 

首先，我們可以預見 ，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。實際上，USB標準本身和與UBS并存的標準（例如用于移動設備Quick Charge的Qualcomm QuickCharge技術）都需要定期修訂和更新，以考慮新興用戶需求和新技術功能。Quick Charge技術最新版本是4.0版。這意味著自v1.0發(fā)布以來已經(jīng)進行三次重大修改，而且4.0版本不可能是最后一次。

 

與此同時，USB PD 3.0標準本身不僅僅是一個設置用電設備輸入電壓和電流限制的電源規(guī)格，它的作用更多的是關于通信協(xié)議，通過這些協(xié)議，連接的設備可以建立自己的身份，執(zhí)行功能以及在任何給定場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規(guī)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(guī)范要求

 

•在設計中提供定期更新范圍以考慮規(guī)格變化

 

•提供如可編程電源和支持Quick Charge技術的理想功能

 

 

一個能夠滿足上述要求的USB-C PD3.0系統(tǒng)具有一定的功能要求，其中的一些要求將分別通過硬件和軟件實現(xiàn)。

 

•USB PD電源控制器

 

•電壓調節(jié)器，從而為電源控制器和其他有源組件供電

 

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

 

•驅動MOSFET的高壓門極驅動器

 

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

 

•輸入電源總線（VBUS）上的過電流保護

 

•靜電放電保護

 

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

 

通過使用多個分立組件，可以實現(xiàn)上述硬件和軟件功能：通常通過一個微控制器執(zhí)行系統(tǒng)控制和電源控制功能并運行協(xié)議軟件，此外還有分立MOSFET、柵極驅動器以及過流、過壓和靜電放電保護組件。

 

以這種方式通過使用多個分立元件來實現(xiàn)USB-C電源適配器，移動電源或充電器具有以下缺點：

 

•需要很多組件

 

•多個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

 

•由多個固定功能硬件組件組成的系統(tǒng)不具有靈活性，因此更加難以根據(jù)規(guī)格或用戶要求的變化實現(xiàn)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，除了高壓電源開關之外，其他硬件功能被集成到一個芯片系統(tǒng)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讀寫功能的64kB閃存支持的ARM®Cortex®-M0處理器內(nèi)核上運行，因此更便于進行應用固件升級，保持互操作性。 CCG3PA在出廠時已通過符合USB PD 3.0標準的認證。該芯片還經(jīng)過Quick Charge 4.0、3.0和2.0認證。

 

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

 

圖2：CCG3PA電源控制器如何實現(xiàn)BoM集成

 

這些適用于整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)級優(yōu)勢十分重要，但在設計周期中還有一點非常重要：CCG3PA得到了一套完整全面開發(fā)資源的支持，與使用分立組件的普通開發(fā)流程相比，可大幅縮短產(chǎn)品上市時間。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USB-C受電或充電端口和一個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)品設計提供了先進的藍圖，只需進行少量修改就能滿足特定的客戶需求。

 

 

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(tǒng)級芯片，只需添加外部MOSFET和AC-DC轉換器即可成為一個符合最新USB供電標準的完整離線電源適配器/充電器。

 

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