2022年6月,歐盟議會批準了一項新指令,要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產品增加 USB Type-C 接口,以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業帶來影響,包括手機、數碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內,但在2026 年之前,制造商還不需要遵守該項規定。到2027 年,歐盟議會計劃在這項規定中增加更多的設備;然后,每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。
歐盟頒布通用充電器指令
2022年6月,歐盟議會批準了一項新指令,要求下一代便攜式設備必須支持USB Type-C 充電連接器。制造商必須在 2024 年秋季之前為其產品增加 USB Type-C 接口,以兼容 USB Type-C 電纜。這項指令為眾多行業帶來影響,包括手機、數碼相機、手持視頻游戲機、便攜式揚聲器、鍵盤、便攜式導航設備、耳塞、鼠標、電子書、耳麥和耳機等。筆記本電腦也包括在內,但在2026 年之前,制造商還不需要遵守該項規定。到2027 年,歐盟議會計劃在這項規定中增加更多的設備;然后,每 5 年召開一次會議討論其他可能的應用。
隨著這項指令開始生效,制造商需提供不帶充電適配器的產品包裝版本,也可選擇提供原裝充電器版本。這樣,如果消費者已經有 USB Type-C 充電線和充電器時,他們可以購買不帶新充電器的產品版本,從而節省資金并減少電子垃圾。據估計,這項規定每年可減少多達2200 萬磅的電子垃圾。
本文將討論 USB Type-C 連接器的工作原理、定義方式及其典型應用,同時以 MPS 產品為例,重點介紹如何優化 USB Type-C 連接器。
USB Type-C連接器
USB Type-C(也稱為 USB-C)規范發布于 2014 年。這種連接器因優于 USB Type-A 等舊的USB 連接器而迅速流行起來。它支持正反插,即在插入端口時不需要關注方向,而且它們比傳統連接器更加小巧(見圖 1)。 更重要的是,USB Type-C 連接器可以處理更高的功率,這意味著它可以適用于更廣泛的便攜式應用。
圖 1:USB Type-A 與 USB Type-C 連接器
USB Type-C 連接器有特定的電源檢測和協商接口。USB Type-A電源持續輸出5V電壓,而USB Type-C 電源則通常處于關閉狀態,只有當用戶將 USB Type-C 電纜插入設備時,電源才打開。這是因為 USB Type-C 連接器通過單獨的配置通道 (CC) 引腳提供檢測功能,只有在檢測到電纜兩端的連接時才打開電源。
此外,CC 引腳還提供電流水平檢測功能,并實現電源(供電端)和耗電端(接收端)之間的角色定位。這項功能使USB Type-C 產品能夠兼容傳統 的5V USB 產品;與此同時,還能利用 CC 引腳進行功率協商,通過USB 供電 (USB PD) 協議實現更高功率的檢測。
圖 2 顯示了 USB Type-C 電源檢測的基本原理。
圖 2:CC 引腳上的 USB Type-C 配置通道
USB Type-C 功率級別
如前所述,USB Type-C 連接器功能非常強大,它支持各種新標準,例如 USB PD、USB 3.1 和 DisplayPort。舊版本的 USB 連接器只能單向提供最高 7.5W 的功率,USB Type-C 則可以通過標準電纜和最少的附加電路支持高達 15W 的單向和雙向應用,以及兼容USB PD并高于15W的應用。
標準功率范圍 (SPR) 的 USB PD 可在 100W 功率時支持高達 20V 的電壓。USB PD 規范最近更新的擴展功率范圍 (EPR)更可以提供高達 240W 的功率。此外,USB PD 允許雙向功率流動,這意味著設備可以提供或者接收功率;不像單向連接器,例如 micro-B USB,只能接收功率。廣泛的功率傳輸范圍意味著帶PD功能的 USB Type-C 既可以輕松為智能手機充電,又可以為筆記本電腦充電。(不過,并非所有 USB Type-C 都支持 USB PD,本文將在后面進行更詳細的討論。)
表 1 顯示了USB Type-C不同操作模式下的功率級別。
表 1:USB Type-C 連接器的功率輸出
USB 供電 (USB PD)
如前所述,USB PD 可以提供高達 240W 的功率,并且支持雙向操作,這意味著它可以提供或者接收功率。非PD的USB Type-C源可以提供最高 15W 的功率 (5V/3A),而 USB PD 源可以提供超過 5V的電壓,因此功率也超過 15W。功率傳輸提高意味著 USB PD 可以比傳統連接器更快地為設備充電。此外,USB PD 還指定了供電端和接收端的電壓和電流容限。
支持 USB PD 的產品需要兩顆額外的芯片,即PD 控制器,一顆芯片在電源中(供電端),另一顆在便攜式設備中(接收端)。產品利用兩顆芯片的 CC 線通過電纜進行通信。供電端傳達它可以支持的電壓和電流,而接收端(例如揚聲器或手機)則傳達它需要的電壓和電流。供電端相應調整其輸出電壓,以確保將最佳電壓和電流量輸送到接收端。由于這兩顆芯片增加了成本,因此USB PD 通常不會用于功率低于 15W 的應用。
圖 3 顯示了 USB PD 的通信結構。
圖3: USB PD通信結構
歐盟指令的另一部分是為高于15W 的應用提供 USB PD功能。盡管有部分公司采用私有協議來協商更高的電壓和功率,但為了確保不同充電適配器和設備之間的互操作性與安全性,歐盟新指令規定不允許使用這些方法。此外,出于安全和互操作性方面的考慮,USB Type-C 規范明令禁止使用 USB PD 以外的協議將電壓提升至 5V 以上。
例如,有些智能手機雖然使用了 USB Type-C 連接器,但只有在使用特定電纜、插入特定充電適配器時才能“快速”充電,因為這些產品并沒有使用 USB PD。這意味著市售的某些 USB PD 充電適配器可能無法為產品快速充電,即使其額定功率與原裝適配器相當。這種現狀會導致用戶混淆,增加電子垃圾,并使產品的安全性和可靠性依賴于特定制造商的私有充電協議。
USB Type-C 連接器:合規、安全與優化
在致力于讓其產品支持USB Type-C的過程中,制造商們必須認識到,物理上充分滿足要求與滿足 USB Type-C 規范之間是有區別的。制造商可以自行決定是否提交其產品進行 USB Type-C 認證,從而在產品上印刷USB Type-C 的標志。
為了降低成本,有部分制造商只要USB Type-C 連接器能夠供電或接收功率,達到其最低物理要求即可,而不是去獲得認證。盡管這種方法性價比較高,但那些缺失的特性和功能有可能導致安全問題,從而損壞設備本身或與其相連的其他產品。
未經認證的 USB Type-C 產品可能產生五花八門的故障并帶來安全隱患,但也有一些方法可以提供強大的保護措施來緩解這些問題,例如保護電纜、供電端和接收端。下面我們將討論其中一些隱憂及其解決方案。以下第 1 點描述了經認證的 USB Type-C 接收器所具備的優勢,其余各點均介紹 MPS 電源管理 IC 提供的額外保護功能和優化功能。
1. CC 引腳上的輸入電流檢測: 用于不支持 PD(那些低于 15W的應用)的 USB Type-C ,USB Type-C 供電端可以提示通告提供三個電流級別:默認、1.5A 和 3A。其中“默認”意味著向后兼容舊 款USB 源(100mA 至 1.5A)。接收端檢測供電端的 CC 引腳通告以確定可以汲取多少電流,這一點非常重要。符合USB Type-C標準的接收端可以檢測 CC 引腳上的值并相應地調整其輸入電流限制,以避免從供電端汲取過多的電流。一旦設置了電流限制,當供電端更改其通告時,接收端就可以動態改變它汲取的電流量。
為了降低成本,部分制造商會在接收端的 CC 引腳上放置兩個電阻;當電纜連接在兩端之間時,供電端才會提供 5V電源(見圖 4)。但只有當接收端消耗的電流不超過通過 USB 數據線協商的默認電流時,才允許這樣配置。
圖4: 通過電阻實現輸入電流檢測
如果使用電阻替代恰當的輸入電流檢測,接收端不會檢查自己的 CC 引腳。假設一臺計算機有一個只能提供 500mA 電流的USB Type-A 端口。當接收端無法識別供電端只能提供 500mA 電流時,它可能會嘗試汲取 3A電流,這會造成過流 (OC) 情況并損壞供電端端口。接收端的充電器 IC 通常也有一個輸入電壓環路,但它只能防止輸入電壓降得太低。它無法保證接收端充電器 IC 的最小輸入電壓環路能夠足夠快地做出反應(或設置得足夠高),以防止損壞供電端。因此,該保護應被視為 CC 電流檢測和輸入電流限制的備用電路,而不是主保護電路。
請注意,簡單的電阻下拉方法可用于電流消耗不超過 1.5A 并提供 BC1.2 檢測的接收端應用(見下文)。
2. BC1.2 和私有充電器檢測:當供電端即沒有 USB Type-C 連接器(傳統電源),也不能提供小于 1.5 A 的電流時,BC1.2 標準定義了接收端如何檢測其電流輸出能力。這個檢測過程通過D+ 和 D- 引腳執行。BC1.2中還增加了私有充電器檢測的內容,它允許接收端檢測常見的充電適配器。
USB Type-C 規范不要求接收端在支持 CC 引腳檢測的情況下再兼容BC1.2標準。但是,如果接收端不符合BC1.2,則只能從 USB 2.0 供電端安全汲取 500mA 的最大電流,即 CC 引腳通告的默認電流。接收端添加 BC1.2兼容能力將允許其從通告了默認電流的供電端(例如傳統電源)汲取高達 1.5A 的電流,從而獲得更多功率、縮短充電時間并帶來更好的終端用戶體驗。
3. 不合規的傳統電纜檢測:傳統電纜是指一端為 USB Type-C 連接器,另一端具有不同(傳統)USB 連接器的電纜。為了向接收端通告電流水平,傳統 USB Type-A 電纜必須在 USB Type-C 側的 CC 引腳和 VBUS 引腳之間連接一個 56kΩ 的上拉電阻。但是,有些不合規的傳統 USB Type-C 電纜要么缺失上拉電阻(浮空或短路),要么阻值不正確。這都可能導致不正確的輸入電流限制檢測(如同使用 CC 引腳的輸入電流檢測),或者可能導致接收端 CC 引腳上發生過壓 (OV) 事件,因為接收端的 CC 引腳可能直接短接至 VBUS。為避免這些問題,USB Type-C 接收端設備應能檢測是否連接了不合規的傳統 USB Type-C 電纜,從而保護 CC 引腳。
4. VBUS 和 CC 引腳的過壓保護 (OVP):SPR PD 充電適配器電壓最高可達 21V,非 PD 充電適配器則最高 5.5V。因此,建議設置 VBUS 過壓保護值至少為 21V,以防 PD 適配器出現故障或發生 VBUS 瞬態浪涌。在正常工作條件下,CC 引腳不應承受高電壓,因為 CC 要么沒有物理連接到 VBUS(例如使用 USB Type-C 電纜),要么是通過 56kΩ 電阻連接到 VBUS(例如使用傳統電纜)。但是,由于 CC 引腳與 VBUS 引腳物理相鄰,因此仍有可能因連接器內的雜質造成它們之間的短路。而且也有可能因使用了不合規的電纜,造成VBUS 與 CC 引腳之間的短路。為保護 CC 引腳免受這些情況的影響,強烈建議設置 OVP。
5. 連接器濕度檢測:連接器上的濕氣會隨著時間的推移腐蝕并損壞器件,從而導致引腳短路或開路。這在雙角色端口 (DRP) 或供電端應用中尤為常見;在這些應用中,產品在通告供電模式時向 CC 引腳施加上拉電壓或電流(VBus在供電模式期間也被啟用)。如果產品接觸到任何電解液(例如水),設備應能夠檢測到,并強制產品進入接收端模式(移除 CC 上拉偏置和 VBus),并提醒用戶。
6. 連接器溫度監控:USB Type-C連接器有4個并聯的VBUS引腳和4個接地引腳。隨著時間的推移,連接器不斷聚集雜質或磨損,一些引腳可能會出現開路情況,這會擾亂電流的流動并導致電流擠向其余引腳。這些額外的電流會讓連接器升溫。為避免過熱和可能的永久性損壞,USB Type-C 產品應能夠監測這種情況,在需要清潔連接器時提醒用戶,并降低電流消耗以降低溫度。
安全和優化用例
想象一根電纜兩端都沒有 USB Type-C連接器,該如何應對?一旦有物體插入,充電 IC 應能夠檢測到,分析電流限制,并確定電纜是否合規。如果是 USB Type-C 轉 USB Type-C 電纜,CC 引腳將直通電纜,供電端電源上拉,然后接收端(帶充電器 IC)下拉。
如果是傳統的Type-A 轉 Type-C 電纜, CC 電壓將通過一個電阻上拉至 VBUS。但就在幾年前,還有很多這類電纜是不合規的(例如用錯電阻或 CC 引腳與輸入電壓短路)。這導致 CC 控制器或芯片檢測到比實際電流更高的電流,這意味著具有 500mA 電流能力的供電端可能通過電纜告知了 3A 的電流能力。MP2722 等器件將可以應對這些問題,該器件可以檢測這些電纜是否不合規,并正確設置輸入電流限制(見圖 5)。下面將詳細介紹該器件。
圖5: MP2722功能特性
一個安全且合規的解決方案應包含充電器IC、OVP 芯片和 CC 控制器芯片(或檢測 CC 引腳的芯片)。部分制造商為了降低成本省略了接收端的CC 引腳檢測和OVP 芯片。盡管這樣也能為接收端提供電源,但卻不能保證所連接產品的安全性。此外,也不能用于 DRP 應用。
MPS產品
MPS 一直引領著 USB Type-C 充電與電源管理領域的趨勢,并提供涵蓋范圍廣泛的 USB 應用解決方案。我們的目標不僅是滿足 USB Type-C 最低限度的實現要求,而是在合規性、安全性和功能性等方方面面都具備額外的優勢。
USB Type-C 應用與MPS 產品
支持 USB Type-C 的電源管理 IC應根據特定應用而選擇。通常,這些產品可分為兩類:≤15W 的應用和超過 15W 的應用。
對于功率 ≤15W 的應用,產品包括 智能手機、商業銷售 (POS) 系統、揚聲器、電子煙、耳機、智能手表和部分平板電腦。這些產品不一定需要符合USB PD 標準,它們可以簡單地依靠 CC 控制器來確定電流水平和器件的電源角色。無需支持 USB PD 可以降低成本,因為無論供電端和接收端都不需要額外的 PD 控制器 IC。大多數功率小于15W 的產品都使用單節電池或并聯的多節電池。這些產品可以是接收端、供電端或者雙角色電源解決方案,如下所述:
1. 純接收端:只需要充電的應用,可以使用單向、5V、15W 的充電器 IC 為電池充電并完成接收端 CC 控制器操作。MP2722 是這類應用的絕佳選擇。
2. 純供電端:包括電源和車載充電器。這類應用不需要電池,只需要一個 5V 穩壓器和一個供電端 CC 控制器。
3. 雙角色電源 (DRP):DRP 解決方案是雙向的,這意味著它既可以汲取電量也可以提供電量。MP2722 就是一款雙向 5V、15W 充電器 IC,它既可以為電池充電,也可以提供 5V 輸出和 DRP CC 控制器。
對于功率大于15W 的應用,如筆記本電腦、移動電源、大型揚聲器、電動工具、醫療設備以及高端智能手機和平板電腦,則需要支持USB PD。這類解決方案提供 DRP,并通常分為兩大類:
1. 單電池USB PD:單電池(或多節電池并聯)USB PD方案一般用于≤20W的中高端手機、平板電腦和移動電源。MP2731 降壓充電器IC專為這些應用而設計。具體詳細信息,請參閱 MP2731 USB PD 參考設計。
2. 2至4節串聯電池USB PD:多節電池串聯的USB PD解決方案通常用于需要20W以上功率的筆記本電腦、平板電腦、游戲設備、醫療設備和移動電源。這些應用需要升降壓充電器IC,例如 MP2760 或 MP2651,它們均可用于創建完整的USB PD 解決方案。
MP2722
MP2722是一款高度集成的 5V 開關模式電池充電器IC,適用于鋰離子和鋰聚合物電池。該器件提供窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理功能,能夠提供高達 5A 的充電電流。它完全符合 USB Type-C 1.3 標準,并提供集成的 CC DRP 控制器,用于源(供電端)模式或接收端模式下的雙向 15W 調節。MP2722 還在 VBUS 引腳上集成了 26V OVP,在 CC 引腳上集成了 22V OVP,同時提供一個 I2C 接口用于靈活配置參數。
同類15W DRP USB Type-C 方案都需要單獨的充電器 IC、DRP CC 控制器,以及 VBUS 和 CC 引腳的 OVP IC。MP2722 則將這三種功能都集成在一個芯片中,最大限度地節省了占位面積和成本(見圖 6)。
圖6: 傳統解決方案與MP2722
此外,MP2722 還支持高級USB Type-C 功能,因而更加合規、安全且高度優化。 這些功能包括連接器溫度監測、連接器濕度檢測、不合規傳統電纜檢測,以及支持可優化傳統充電適配器的 BC1.2。 MP2722尺寸小并完整集成了 USB Type-C 的所有功能, 非常適合單電池 USB Type-C 應用。
MP2731
MP2731 是一款 15V、4.5A 開關模式電池充電IC,它具有 NVDC 電源路徑管理功能,并集成了模數轉換器 (ADC) 和 I2C 接口。采用 MP2731 和外部 USB PD 控制器可以為 USB PD 應用提供完整的解決方案(請參閱參考設計),同時還符合 USB PD 3.0 規范。
該設計提供了一個 DRP USB Type-C 端口,允許雙向供電并可在接收端模式下實現快充。當存在 USB 輸入時,充電器被配置為接收端并為電池充電。如果 USB PD 接收端連接到該端口,則充電器充當供電端,并用電池作為電源提供穩定的輸出電壓。
MP2731 PD設計可實現高達18W的PD快充。此外,MP2731 還集成了一個輸入阻斷 FET,這樣就可以選擇使用一個額外的 USB PD 輸入 FET,從而降低BOM 成本并減小PCB 尺寸。該設計適用于任何想要利用USB PD 實現快充的單電池應用。
MP2760 and MP2651
MP2760 是一款 20V、6A 升降壓充電IC,它具有 NVDC 電源路徑管理功能,適用于 1 至 4 節串聯電池組。該器件具有 4 個集成開關 FET、ADC 和 I2C 接口,可提供極為緊湊的解決方案。它可以在升壓模式、降壓模式和升降壓模式下運行,具體取決于輸入和電池電壓;通過反向操作,該器件可以在供電端模式下通過電池為輸入供電。MP2760 電池充電器IC在SPR 電壓和電流水平滿量程范圍內均符合 USB PD DRP 操作要求。
MP2651 與 MP2760 引腳對引腳兼容,但針對不需要 NVDC 電源路徑管理的應用進行了優化,例如移動電源、電動工具和電池備份產品。
這兩款器件均采用了 CCG3PA USB PD 控制器來創建完整的 USB PD 解決方案(見圖 7)。該解決方案包含一個可雙向操作的 DRP USB Type-C 端口。如果插入適配器,該端口可以充當接收端,并為電池充電;如果插入接收器,則該端口可以作為供電端,通過電池為 USB 供電。這兩個部件均可通過 I2C 接口進行配置,因而更加靈活。該設計非常適合揚聲器、平板電腦、醫療設備、商業銷售(POS) 系統、無人機和攝像頭等應用。
圖 7:MP2760 的 USB PD 解決方案
結語
USB Type-C 連接器(也稱為 USB-C 連接器)用途廣泛,比舊款連接器尺寸小很多,而且向后兼容傳統USB 標準,并可提供高達 240W 的功率。通過遵循 USB Type-C 和 USB PD 規范并根據本文討論的優化措施,制造商將幫助保持產品之間的互操作性,提供可延長產品使用壽命的保護措施,并為歐盟減少電子垃圾的目標做出貢獻。
在歐盟頒布通用充電器新規之前,MPS就一直致力于開發面向廣泛USB Type-C 和 USB PD 應用的充電器 IC和電池管理設備 。隨著 USB Type-C 連接器在全球范圍內變得越來越普遍,便攜式應用的買家和制造商們必將獲益于我們豐富的產品系列。
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