作者：Hitesh Kothari
智能手机、平板电脑和其他便携式设备使用的快速增长推动了对手持便携式电源的需求。根据市场研究，预计到 2022 年，移动电源市场规模将超过 250 亿美元。基于 USB 的设计是移动电源设计中最受欢迎的。
USB 规范在 1990 年代中期被定义为用于将外部外围设备连接到个人计算机的通信协议。在 2000 年代初期，随着越来越多的便携式设备被引入市场，为它们供电成为一个关键因素。USB 标准在便携式市场中具有显着优势，因为它能够使用相同的物理连接器传输数据和电源。但是，在引入 USB 电池充电 （BC） 规范之前，USB 供电方法并不可靠。
在 BC 1.0 规范引入之前，USB 标准下行端口（SDP）默认提供最大 100mA，通过电源协商配置时最大提供 500mA，这是由 2000 年推出的 USB 2.0 标准定义的。 2007 年发布的电池充电规范 （BC 1.0） 将专用充电端口 （DCP） 的最大电流限制扩展至 1.5A。2010 年，BC 1.2 规范发布，将最大电流限制提高到 5A。最新的 USB 供电 （PD） 规范通过 USB Type-C 连接器将供电能力扩展至 100W。
大部分智能手机、平板电脑、计算机外围设备和便携式设备都有 USB 连接器和电缆用于供电。本文讨论USB Type-C PD移动电源的设计；即，带有 USB Type-C 连接器并使用 USB 供电 （PD） 规范的移动电源。
传统USB移动电源的设计
移动电源普遍使用锂离子电池，因为其功率密度高、重量轻、自放电率低、维护成本低。表 1 显示了 1 节和 2 节配置中锂电池的额定电压。通常，对于移动电源应用，建议使用 2 芯配置，因为效率更高。
表 1 电池/电池的标称电压。
传统的 USB 移动电源设计（见图 1）由两个 USB 端口组成：电池充电端口和电池放电端口（或 输出端口）。
图1 传统 USB 移动电源的框图。
大多数设计中的电池充电端口是 USB Mini-B 或 Micro-B 连接器，然后连接到 USB 壁式电源适配器。电池放电端口通常是 USB Type-A 连接器，用于连接智能手机或任何其他便携式设备。
电池充电子系统由 USB Mini-B 或 Micro-B 连接器、升降压转换器、电池参数测量电路和系统 MCU 组成。锂离子电池的充电曲线由恒流阶段和恒压阶段组成，以确保高效安全地充电至电池的最大容量。MCU 控制调节电池充电电流的升降压转换器。MCU 有一个充电曲线控制块，可根据充电算法处理电流和电压曲线。MCU 还监控和控制电池的这些充电曲线，以避免可能导致电池爆炸的过度充电和过热。
电池放电部分也由 MCU 控制。电池参数测量电路向 MCU 提供电池电压、放电电流和温度数据，MCU 进而根据电池放电算法处理电池放电。MCU 还控制输出降压-升压转换器为输出端口上的外部设备供电。
MCU/控制器生成控制充电和放电控制电路所需的所有信号，从测量电路读取参数值，确保电池安全，以及其他各种功能。
转向 USB Type-C 供电
传统 USB 移动电源的应用主要用于智能手机、平板电脑和其他可以用 5V 进行令人满意的充电的便携式设备。今天的移动电源还需要能够为笔记本电脑、家用电器和其他需要更高输出电压、更高电流和更高额定功率的设备充电。各种便携式设备和智能手机的制造商也推出了定制的充电标准，以实现更高效的充电。
例如，苹果充电、高通快速充电 （QC）、三星自适应快速充电 （AFC） 和可编程电源 （PPS） 是智能手机中使用的一些改进的充电方法。这些方法的额定电压、额定电流和充电曲线是专有的，不再局限于 5V 输出。这些充电协议不同于传统的 BC1.2 规范，并具有扩展的额定功率。
当需要移动电源将其支持扩展到其他专有充电标准时，USB Type-C PD 移动电源的重要性显而易见。USB Type-C PD 标准支持高达 20V/5A （100W） 的电力输送，足以为台式电脑、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、其他便携式设备等供电。
Type-C 连接器已经开始接管智能手机和平板电脑行业，不仅用作电源连接器，还用作数据端口和音频插孔。Type-C 连接器具有以下已知优势：
可逆连接器：Type-C 解决了旧版 USB 连接器存在的连接器方向问题。对称的连接器引脚对齐允许用户以任何一种方式插入连接器，从而提高了易用性。
扩展功率处理能力：Type-C 连接器可处理高达 100W 的功率。Type-C 电缆还能够处理典型的 3A（有源电缆高达 5A）电流，而不会出现明显的压降。
备用模式支持：可以通过配置通道 （CC） 使用供应商定义的消息 （VDM） 将附加引脚配置为备用模式支持。Type-C 连接器在交替模式下支持 Display Port、HDMI 和其他高速接口。
旧版 USB D+ 和 D- 线：Type-C 连接器向后兼容以前的 USB 标准到 USB 2.0，因为 D+ 和 D- 线可用。定义了两组 USB 2.0 信号引脚以启用电缆翻转功能。
标准 24 针 Type-C 连接器的引脚图如图 2 所示。还显示了实现移动电源应用所需的引脚。
图2 标准 Type-C 连接器引脚图。
D+ 和 D- 引脚检测所连接设备（手机、平板电脑、笔记本电脑等）上的各种终端，并识别设备使用的充电方法。电力合同（即电压和电流值）取决于充电方式或协议，因此终止检测对于移动电源的性能非常重要。
配置通道 （CC） 引脚用于跨标准 Type-C 电缆的 USB Type-C 连接的发现、管理和配置。在供电期间，CC 线（CC1、CC2）用作附加功能：电源协商。连接的端口使用 CC 线协商 USB 电缆上的电压、电流和功率流向。V BUS线路经协商后按既定合同供电。
使用 USB Type-C 进行移动电源设计的最显着优势是其灵活性以及通过单个连接器支持不同充电方式的能力。表 2 为传统 USB 与 USB Type-C PD 移动电源的对比分析。
表 2 基于传统USB与USB Type-C PD的移动电源对比
从表 2 中可以看出，USB Type-C PD 移动电源凭借其可逆 Type-C 连接器的优势以及支持多种充电协议的能力，提供了卓越的功能。
USB Type-C PD移动电源设计
图 3 显示了典型 USB Type-C 移动电源的框图。Type-C 移动电源具有单个 Type-C 连接器接口，用于对锂离子电池进行充电和放电。Type-C PD 控制器是移动电源的核心，负责管理控制锂离子电池充电和放电的升降压稳压器。
图3 USB Type-C PD移动电源框图。
移动电源使用单个 Type-C 连接器支持两种操作：电池充电和电池放电。
在电池充电期间，Type-C PD 控制器启用消费者路径 FET，以便锂离子电池开始充电。双向升降压转换器控制电池充电电压和电流以保持正确的充电曲线。Type-C PD 控制器持续监控电池参数，以安全可靠地为锂离子电池充电。
在电池放电或输出期间，Type-C PD 控制器打开供应商路径 FET，移动电源充当电源。Type-C PD 控制器与通过 Type-C 连接器连接的智能手机或设备进行电源协商。然后，它控制降压-升压调节器的方向，以便锂离子电池开始提供电流，为智能手机或其他连接的设备充电。
如今，可以使用专为满足移动电源和电源适配器应用要求而设计的 Type-C 控制器。例如，赛普拉斯半导体的 EZ-PD CCG3PA 控制器支持具有可编程电源 （PPS） 模式的 USB PD 3.0 规范。该控制器还支持传统的 BC1.2 和各种专有充电方法，如高通快速充电（QC）、三星自适应快速充电 （AFC） 和 Apple 充电。
集成控制器内置重要的系统级保护，包括过压保护 （OVP）、过流保护 （OCP）、欠压保护 （UVP）、短路保护 （SCP）、过温保护 （OTP） 和静电放电 （ESD） ） 保护。D+/D-线上的集成可配置电阻器和终端进一步简化了设计。为了获得最大的灵活性，我们提供支持 Type-C 和传统 Type-A 端口的控制器，以便随着市场从 Type-A 过渡到 Type-C，移动电源可以与设备互操作。通过集成 V BUS等组件降低系统成本电压调节器、电流检测放大器、反馈控制、ADC、PWM 和其他功能。图 4 显示了基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 评估套件的移动电源和适配器应用的示例布局。
图4 基于使用 CCG3PA 控制器的 CY4532 评估套件的移动电源和适配器应用的示例布局。
通过可编程控制器，移动电源可以支持多种充电标准，如表 3 所示。图 5 显示了移动电源操作示例。
表 3 可编程控制器可以支持多种充电标准。
图5 移动电源操作流程图说明示例。
USB Type-C PD 正迅速成为便携式设备和其他应用的标准。传统USB移动电源与USB Type-C移动电源的对比分析清楚地表明，基于USB Type-C PD的移动电源代表了基于USB充电的未来。
