如何加速USB快充電池充電器設(shè)計(jì)

當(dāng)前移動(dòng)終端所擁有的5G連接、4K超高清顯示等功能，往往都是“耗電大戶”，遠(yuǎn)超常規(guī)雙芯電池的儲(chǔ)能。面對(duì)這些高耗電應(yīng)用或設(shè)備，USB（PD）快充憑借著高效的充電能力，可為終端快速補(bǔ)充電力能源。不過(guò)，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要想采用USB PD協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并非易事，常常需要復(fù)雜的固件開(kāi)發(fā)和額外的硬件設(shè)計(jì)。比如，Type-C端口針腳之間的距離短、電壓高（20V），一旦插入或斷開(kāi)連接器的角度不正確，往往會(huì)造成損壞。事實(shí)上，USB Type-C和USB PD規(guī)范要求設(shè)計(jì)者具備軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，以及對(duì)USB規(guī)范的深入了解。

隨著攝像頭、AR/VR系統(tǒng)和無(wú)線音箱等消費(fèi)類電子設(shè)備逐步引領(lǐng)USB Type-C和USB PD技術(shù)發(fā)展，如何加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，縮短開(kāi)發(fā)周期？如何擴(kuò)展USB Type-C和USB PD技術(shù)在工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用？下面ADI將分享一些簡(jiǎn)化USB PD設(shè)計(jì)的技巧，助您事半功倍。

圖1.USB Type-C和USB PD為便攜設(shè)備帶來(lái)了快速數(shù)據(jù)傳輸和充電便利

USB-C充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

USB Type-C和USB PD可為數(shù)據(jù)傳輸和供電提供對(duì)稱的24引腳接口規(guī)范，使設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通用接口。USB-C可提供5V/最高3A的充電電流（15W），而USB PD 3.0可提供5V到20V/最高5A的供電電流（100W）。要設(shè)計(jì)USB-C充電系統(tǒng)，需要考量以下挑戰(zhàn)：

• 解決信號(hào)完整性和速度問(wèn)題

• 與各種傳統(tǒng)接口相連接

• 確保設(shè)計(jì)能夠適用于寬電壓電流范圍，包括支持冷啟動(dòng)（0V，直到端-端檢測(cè)完成）

• 確保插入U(xiǎn)SB-C電源時(shí)，充電器和端口控制器能夠相互通信

• 滿足消費(fèi)類設(shè)備的小尺寸要求

• 保持熱效率，盡量減少溫度升高

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)者通常要為USB-C協(xié)議開(kāi)發(fā)復(fù)雜的主機(jī)端軟件，或者增配額外部件，如外部FET和外部微控制器。不過(guò)，一些完全遵守協(xié)議的充電系統(tǒng)解決方案，可令設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)獲得大幅簡(jiǎn)化。另外一些設(shè)計(jì)有基于事件操作腳本的解決方案，則可讓定制過(guò)程更為簡(jiǎn)便。同時(shí)，高度集成的IC也將精簡(jiǎn)大量分立元件的使用。此外，設(shè)計(jì)者還需要考慮方案應(yīng)具備在惡劣環(huán)境（例如不同的溫度或潮濕條件）下保持可靠運(yùn)行的功能。

另一個(gè)必須考慮的因素是使用大容量電池，高耗電的終端設(shè)備需要這些電池來(lái)維持更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。相比于1S電池，2S電池可以在不增加充電電流的情況下增大容量。由于USB-C支持5V到 20V之間的輸入電壓，而2S或3S電池的電壓介于這兩者之間，因此借助降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以彌補(bǔ)這一差距。圖2給出了基于2S電池應(yīng)用的示意流程圖。

圖2.基于2S電池應(yīng)用的示意流程圖

開(kāi)箱即用的USB-C兼容性

ADI全新USB-C充電系統(tǒng)解決方案符合USB PD 3.0規(guī)范，無(wú)需進(jìn)行固件開(kāi)發(fā)，開(kāi)箱即用，可將開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短三個(gè)月。與同類解決方案相比，其緊湊的體積可將解決方案的尺寸縮小一半。MAX77958 USB Type-C和USB PD充電控制器無(wú)需額外的固件開(kāi)發(fā)，得益于其擁有依賴GUI驅(qū)動(dòng)的定制腳本、BC1.2協(xié)議支持，以及與快速角色轉(zhuǎn)換（FRS）、雙角色端口（DRP）和Try.SNK模式有關(guān)的配置設(shè)置。這款獨(dú)立產(chǎn)品無(wú)需外部微控制器，提供開(kāi)箱即用的USB PD 3.0兼容性，使用戶能夠在無(wú)需開(kāi)發(fā)固件的情況下自行定義終端應(yīng)用的功能。該產(chǎn)品還具有28V額定電壓、防止CC引腳短路到V_BUS短路保護(hù)、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和濕度檢測(cè)/防腐蝕等功能，適用于各類惡劣工作環(huán)境。

MAX77958可通過(guò)其主I²C接口自主控制配套的充電器。MAX77961是一款帶有集成FET的6A降壓-升壓充電器，可為大容量2S和3S鋰電池快速充電。它為USB PD充電提供寬輸入電壓范圍（3.5V至25V），不需要分立FET，并且不論在有無(wú)外部處理器的情況下都可以進(jìn)行配置。在輸入電壓為9V_IN、輸出電壓為7.4V_OUT、輸出電流為1.5A_OUT時(shí)，其峰值效率為97%。

有意者可以使用MAX77958EVKIT-2S6#（適配2S電池）或MAX77958EVKIT-3S6#（適配3S電池）來(lái)評(píng)估上述兩個(gè)器件。這兩個(gè)器件展示了MAX77958如何利用I²C對(duì) MAX77961充電器進(jìn)行控制。

上述ADI器件均屬于廣義USB Type-C和USB PD器件系列。而該系列包含高能效充電器和轉(zhuǎn)換器、耐用的自動(dòng)控制器、電源通路和保護(hù)IC等多種產(chǎn)品，可供自由選擇組合。