如今的消費者總想隨時隨地都能方便快捷地為其便攜式設(shè)備充電，無論是在商務(wù)中心還是購物中心，或是在等候航班或火車。但是，充電適配器和連接器類型花樣繁多，到底用哪個充電器常會讓用戶感到混亂。如果用戶每次都得攜帶多個不同的充電適配器，以便為不同的便攜式設(shè)備充電（例如手機、平板電腦和筆記本電腦），那他們很快就會變得頭痛不已（參見圖1）。

與上圖的連接器（例如桶形插頭、USB Type-A和Micro-B）相比，USB Type-C（也稱為USB-C）連接器具有眾多優(yōu)勢，如可翻轉(zhuǎn)插頭、采用USB Type- C PD可提供高達100W的功率、雙角色電源功能（可充當(dāng)接收器或輸入源）以及更高的數(shù)據(jù)速率。

所有這些優(yōu)勢正在迅速推動連接器的整合，即在更多的消費類設(shè)備中使用USB Type-C連接器。USB Type-C還可能成為公認的標(biāo)準(zhǔn)連接器（參見圖2）。另外，充電適配器和線纜的重用極大地減少了電子垃圾，這也是它的一大優(yōu)勢。

對于便攜式電子設(shè)備，USB Type-C連接器的高功率能力非常重要，因為這意味著設(shè)備電池可以更快完成充電。許多便攜式設(shè)備以前使用的micro-USB連接器允許的最大功率為7.5W（5V，1.5A），而使用USB Type-C，便攜式設(shè)備能夠以兩倍的功率為電池充電，即最高功率可達15W（5V，3A）。

不過，即使標(biāo)準(zhǔn)USB Type-C電源可以提供高達15W的功率，最終用戶也很少能夠通過5V電源充分利用這15W，這主要由兩個原因?qū)е拢?/p>

1. Type-C線纜的最大往返電阻為250mΩ，而設(shè)備的PCB和連接器通常會為其增加約100mΩ的串聯(lián)電阻。這意味著，由于I x R壓降，在5V電壓下提供3A電流的15W電源只能為充電器提供最高11.85W（15W-3.15W）的功率。

2. 由于單電池的滿電電壓逐年增長，5V電源給充電器IC制造了“凈空限制”問題。假如有一個電池處于恒壓階段的設(shè)備， 它使用能夠提供15W功率的5V USB Type-C電源以4.4V電壓充電，并具有第一個因素中提到的350mΩ串聯(lián)電阻；此時，電源輸出與電池輸入端子之間只能存在0.6V的壓降。 這意味著最大可用電流約為1.7A（0.6V /0.350Ω），相當(dāng)于約7.5W的功率。

要克服此限制，可以降低總串聯(lián)電阻或者增加電源的輸出電壓。但串聯(lián)電阻很難降低，因此USB PD提供了一種方法將電源輸出電壓提高至20V，從而提供高達100W的功率。

即便存在上述限制，標(biāo)準(zhǔn)15W USB Type-C電源也足以滿足很多便攜式設(shè)備的需求。但是，諸如智能手機、平板電腦、無線揚聲器、移動電源和攝像頭之類的設(shè)備通常都具有大于3000mAh的電池，因此可以采用USB PD更快地充電。為了提供更高的功率輸出，USB PD適配器可以根據(jù)便攜式設(shè)備的要求將其輸出電壓提高到5V以上。USB PD適配器可以提供的最大功率通常在15W至100W之間，具體取決于電壓和電流水平。

圖3顯示了USB PD電源功率規(guī)則，USB PD標(biāo)準(zhǔn)中也闡述了這些規(guī)則，以確保不同PD適配器（源）和設(shè)備（接收器）之間的兼容性。根據(jù)其額定功率，源輸出電壓必須為5V、9V、15V或20V四個電壓等級，同時允許3A的最大電流。最大電流水平也可以提高到5A，但需要提供一條特殊的、帶電氣標(biāo)記的線纜以確保安全。

USB Type-C PD利用了Type-C連接器的能力，通過增加輸出電壓來提供更高功率，同時仍向后兼容5V以實現(xiàn)通用充電功能。例如，如果接收設(shè)備（例如揚聲器）僅需18W功率（9V，2A），則根據(jù)電源規(guī)則，任何額定功率至少為27W的兼容型USB PD適配器都能滿足其充電需求。這意味著最終用戶只需帶備一個USB PD電源，即可為其所有設(shè)備充電，從而更加方便而且經(jīng)濟高效。對制造商而言，這意味著他們不再需要為其產(chǎn)品配備電源適配器，此舉不僅降低了成本，而且減少了電子垃圾，改善了環(huán)境。

要實現(xiàn)USB Type-C PD快速充電，便攜式設(shè)備和電源中都需要一個PD控制器IC。PD控制器與PD適配器通信，以確定便攜式設(shè)備需要的功率；然后，PD控制器檢查便攜式設(shè)備加載狀態(tài)和安全故障信息。另外，支持雙角色端口（DRP）的PD控制器允許用戶通過其便攜式設(shè)備為其他設(shè)備充電，例如通過筆記本電腦為手機充電。這樣，便攜式設(shè)備又可以用作移動電源，進一步增加了便利性。

充電器IC是實現(xiàn)USB Type-C PD快速充電系統(tǒng)的重要組件。設(shè)計工程師們尋求的解決方案需要達到以下目標(biāo)：

• 能夠簡化設(shè)計，同時實現(xiàn)通用充電功能，即可以采用不同充電配置和高輸入電壓為多種電池供電設(shè)備充電

• 延長電池的使用時間，充分利用最大的電池容量，以實現(xiàn)最佳用戶體驗

• 提高充電效率，最大程度降低充電器IC內(nèi)的功率損耗

• 保護電池、系統(tǒng)和輸入適配器免于故障

本文介紹的完整USB PD快速充電參考設(shè)計采用了MPS的MP2731。MP2731是一款大電流開關(guān)充電器，與USB PD控制器配合使用可以創(chuàng)建整體解決方案（參見圖4）。

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https://www.monolithicpower.cn/202302_11