USB供电的主要趋势和解决方案

艾睿电子 2024-08-21 2651

描述

如何实现最大化供电?

聚焦最高供电能力240瓦的USB供电参考设计方案

简介

原作者

Anand Kannan，anand.kannan@infineon.com

Alexander Guba，alexander.guba@arrow.com

USB供电标准(PD)在不断发展。最近的USB供电规范3.2支持高达240瓦(48V，5A)的拉电流和灌电流功率。本文将讨论USB供电的主要趋势，探索为何在2024年实施USB-C不再视为一种创新，而只是一种采用新设计保持竞争力的良好方案。最后，本文将概述支持240瓦的拉电流和灌电流方案，这种方案采用了英飞凌的初级侧和次级侧控制器、EZ-PD PMG1高压微控制器、集成USB-C供电和英飞凌CoolGaN 功率晶体管。

目前，USB是一组公认的消费品和汽车应用标准，并快速扩展到工业和电动车部门。1996年诞生的USB 1.0是第一个USB官方版本，支持最大1.5 Mbps的数据传输，最高2.5瓦供电，现在USB已经发展到令人难以置信的水平，可通过单根USB-C线缆支持80 Gbps的数据传输和240瓦供电。即使如此，最近的一次会展上，艾睿电子的展台前还是有超过半数的参观者了解到USB标准已经支持240瓦后，显得非常惊讶。

USB Type-C接口

让我们深入了解USB Type-C标准接口的详细情况。这种接口的最大优势是其对称设计，因此可以不考虑插入方向——两面插入都可以。这种接口支持高达240瓦供电，兼容HDMI、DisplayPort、雷电协议，还可通过备用模式(Alt Mode)支持其他协议。这些特点对工业产生巨大的影响。

控制器

观察图1的公头引脚，CC1和CC2脚——也称为线缆配置引脚——用于控制方向并确定其作用：下行端口(DFP)用于拉电流，上行端口(UFP)用于灌电流，双端口(DRP)同时用于拉电流和灌电流。CC引脚的另一个功能是在协商拉电流和灌电流之间的供电连接时，加快数据传输。

注意有4对差分对，标记为RX/TX，用于USB 5Gbps或更高的传输速度，启用USB 3.1时将采用这几个引脚。以上引线在全双工模式下运行，而2对传统引脚D+/D-位于中心，在半双工模式下运行。标记为SBU(边带使用)的引脚用于备用模式(Alt Modes)，比如DisplayPort或Thunderbolt下的视频输出。VBUS引脚用于提供高达240瓦的供电。全部4个外部接地引脚(GND)用于接地。USB-C接口在高传输速率和高功率供电下，必须正确接地。

USB供电规范

深入探讨USB供电标准的话，如前所述，初版的USB标准只允许VBUS提供2.5瓦的最大功率(5V，500mA)。到了USB 3.0，功率略有增加，达到4.5瓦(5V，900mA)，但依然满足不了许多应用情况。

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图2：USB供电3.2扩展功率范围

2014年推出USB Type-C及供电标准后，USB的供电能力显著增加。默认情况，通过USB Type-C供电，最大功率增加到15瓦(5V，3A)。完全实施USB供电规范后，单个USB电源可提供高达100瓦(20V，5A)的供电。

从USB供电3.1开始，规范允许的最大功率达到240瓦(48V，5A)。现在，超过20V的所有电压分类到扩展功率范围(EPR)。这一规范还包括可调电压供电(AVS)模式，允许15V以上的电压按100mV步长进行调压。

市场发展趋势

USB差不多是有30年历史的旧标准，但就在最近，其传输速度和供电能力有了大幅提高。过去8年来，USB-C得到主流设备制造商的采用，如笔记本电脑和智能手机厂商。

现在，大部分笔记本电脑至少带有1个USB-C端口。另外，许多其他移动设备也转换到USB-C端口，市场上的USB-C电源适配器也明显增加。同时，汽车制造商也在车辆上增加了更多的USB-C端口，为司机和乘客提供强劲的充电功能。按照这一趋势，未来几年，内置USB-C和USB-C的产业应用将显著增加。

预计2025年及以后，许多目前功率最高为240瓦的电子设备，将采用USB-C作为数据通信和充电的标准端口。

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图3：主要市场趋势——许多电子设备将采用USB-C作为数据通信、和高达240瓦的充电端口

推广USB应用的重要因素有电池技术竞赛、工业应用转型、以及USB日益得到全球范围的接受。本地法规也产生重要影响：到2024年底，所有欧盟国家内的许多设备将强制要求采用USB Type-C和USB供电。美国和其他国家也正在进行类似的讨论。

在这些趋势下，采用USB供电不仅仅是与尖端技术同步，还是确保市场地位的重要竞争优势。但是，该标准之所以在近几年得到快速应用，其主要优势到底是什么?

重要的技术驱动因素

结合数据传输和供电功能：推动USB-C快速增长的重要原因之一，是其能够通过一个小接头传输高速数据、视频和供电。这个功能便于设计出更小、更薄的设备。

统一和重复使用：传统的电源适配器提供的电源和电流固定，而且通常采用独特的圆柱形接头，这意味着它们只能用于对应的设备。这类适配器通常不能兼容其他设备。

相反，USB-C电源适配器可广泛兼容，其USB Type-C接头可接入各类设备。另外，采用240瓦USB电源适配器，可以调整电压和电流，只要功率不超过240瓦(48V，5A)。因此可以对功率在240瓦以下的USB设备充电，包括5V或15V设备，45瓦手机和160瓦笔记本电脑。即使是未来的设备，如电动工具、电动单车或消费级3D打印机，也可能使用相同的适配器充电。只需要一个USB电源适配器就可以给许多设备充电，这为消费者节省了费用。

节省研发和制造成本：定制化电源，无论内置还是采用定制接头，通常都需要在设计、制造、测试方环节进行额外投资，尤其是产品数量不是很大的时候。

采用USB-C电源适配器取代定制电源，加上专用的英飞凌USB-C供电灌电流控制器，能够减少每瓦特成本。由于大众市场上的充电器制造商竞争激烈，这自然推动了USB-C电源适配器的普及。

减少上市时间：定制方案除了成本更高(无论外置还是内置设计)，通常研发时间和测试时间也更长。大多数应用案例中，采用简单的USB灌电流方案和认证USB充电器可以实现快速上市。

减少对OEM厂商的依赖：当供电或集成交流/直流电源模块来自一家OEM厂商时，将产生另一个问题。这种情况，项目的未来高度依赖于第三方的生产计划。但是，一旦实施USB灌电流功能，则消费市场中功率相同的认证USB适配器都可以使用，从而减少了对单一OEM供应商的依赖。

减少电子垃圾：粗一看可能不明显，但是充电器统一之后，可显著改善环境保护。虽然单个充电器很小，但考虑到每年废弃上百万个充电器，对环境的影响非常大。

提高品牌认知：设计公司紧跟潮流也增加了对潜在客户的吸引力。试想一下，如果你的公司购买了昂贵的现代化测量设备，但居然使用CD光盘安装驱动和软件工具，会有什么感受。

USB Type-C接口：除了上述USB驱动因素的优势，其最重要特色是在2024年引入24针的 USB Type-C接口(图1)。

240瓦USB供电灌电流参考设计

在行业的最新趋势下，艾睿电子和英飞凌推出了新的240瓦供电3.1灌电流参考设计，它采用了英飞凌EZ-PD PMG1-S3高压微控制器，旨在支持高功率的USB设备。这个新的参考设计支持高达48V@5A的供电对象(PDO)灌电流模式，代表了USB供电标准所能达到的最高水平。

本参考设计扩展了英飞凌EZ-PD PMG1高压微控制器系列的现有灌电流功率，从140瓦增加到240瓦，这对需要大功率快速充电的设备来说非常重要。

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图4：REF_ARIF240WS3灌电流参考设计电路板

上图为240瓦灌电流参考设计电路板REF_ARIF240WS3，补充了最近发布的英飞凌USB PD 3.1拉电流评测电路板REF_XDPS2222_240W1。两者组合后，工程师可第一时间推出完整的240瓦USB供电3.1灌电流-拉电流解决方案。

英飞凌240瓦USB供电拉电流参考设计

英飞凌REF_XDPS2222_240W1是与灌电流对应的240瓦拉电流设计，它基于CoolGaN技术，是一种高效的小型化USB供电3.1参考设计，功率密度25瓦/立方英寸，采用XDP 数字电源XDPS2222 PFC + 混合反激(HFB)式复合集成电路(combo IC )(图5)。

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图5：REF_XDPS2222_240W1 拉电流参考设计电路板

PFC和HFB之间的内部交握和自适应总线电压设置，使得XDP XDPS2222控制器能完美适用于交流电宽幅输入、及超宽幅输出电压的设备，如USB供电扩展功率范围(EPR)适配器和电源充电器。主要功能包括，HFB ZVS高-低侧运行，快速反应HFB峰值电流控制，协调PFC和HFB运行，轻载跳脉冲，自动PFC启用/禁用控制，以及自调节PFC总线电压水平。

上述参考设计旨在广泛支持各类设备，如轻型电动交通工具(电动单车、电动摩托车和个人电动交通设备)、无人机和移动机器人、3D打印机、专业影音设备、电动工具、医疗设备、家用电器、家庭娱乐设备等。

总的来说，功率在0至240瓦的任何设备都能通过USB-C取电，从这些先进设计所提供的杰出USB供电功能中受益。

支援服务

两款参考设计均提供定制服务。除技术支持外，艾睿电子还提供一系列技术支持服务，包括原理图定制及PCB修改，帮助客户最大程度发挥设计潜力，缩短产品上市时间。

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