如何加速USB快充电池充电器设计

作者：ADI业务管理总监Bakul Damle、ADI电池管理事业部执行业务经理 Sagar Khare

当前移动终端所拥有的5G连接、4K超高清显示等功能，往往都是“耗电大户”，远超常规双芯电池的储能。面对这些高耗电应用或设备，USB（PD）快充凭借着高效的充电能力，可为终端快速补充电力能源。不过，对于设计人员来说，要想采用USB PD协议标准并非易事，常常需要复杂的固件开发和额外的硬件设计。比如，Type-C端口针脚之间的距离短、电压高（20V），一旦插入或断开连接器的角度不正确，往往会造成损坏。事实上，USB Type-C和USB PD规范要求设计者具备软硬件设计技术，以及对USB规范的深入了解。

随着摄像头、AR/VR系统和无线音箱等消费类电子设备逐步引领USB Type-C和USB PD技术发展，如何加速产品上市进程，缩短开发周期？如何扩展USB Type-C和USB PD技术在工业和医疗等领域的广泛应用？下面ADI将分享一些简化USB PD设计的技巧，助您事半功倍。

图1.USB Type-C和USB PD为便携设备带来了快速数据传输和充电便利

USB-C充电系统设计挑战分析

USB Type-C和USB PD可为数据传输和供电提供对称的24引脚接口规范，使设计人员能够设计实现通用接口。USB-C可提供5V/最高3A的充电电流（15W），而USB PD 3.0可提供5V到20V/最高5A的供电电流（100W）。要设计USB-C充电系统，需要考量以下挑战：

解决信号完整性和速度问题

与各种传统接口相连接

确保设计能够适用于宽电压电流范围，包括支持冷启动（0V，直到端-端检测完成）

确保插入USB-C电源时，充电器和端口控制器能够相互通信

满足消费类设备的小尺寸要求

保持热效率，尽量减少温度升高

为了应对上述挑战，设计者通常要为USB-C协议开发复杂的主机端软件，或者增配额外部件，如外部FET和外部微控制器。不过，一些完全遵守协议的充电系统解决方案，可令设计实现获得大幅简化。另外一些设计有基于事件操作脚本的解决方案，则可让定制过程更为简便。同时，高度集成的IC也将精简大量分立元件的使用。此外，设计者还需要考虑方案应具备在恶劣环境（例如不同的温度或潮湿条件）下保持可靠运行的功能。

另一个必须考虑的因素是使用大容量电池，高耗电的终端设备需要这些电池来维持更长的运行时间。相比于1S电池，2S电池可以在不增加充电电流的情况下增大容量。由于USB-C支持5V到 20V之间的输入电压，而2S或3S电池的电压介于这两者之间，因此借助降压-升压转换器可以弥补这一差距。图2给出了基于2S电池应用的示意流程图。

图2.基于2S电池应用的示意流程图

开箱即用的USB-C兼容性

ADI全新USB-C充电系统解决方案符合USB PD 3.0规范，无需进行固件开发，开箱即用，可将开发时间缩短三个月。与同类解决方案相比，其紧凑的体积可将解决方案的尺寸缩小一半。MAX77958 USB Type-C和USB PD充电控制器无需额外的固件开发，得益于其拥有依赖GUI驱动的定制脚本、BC1.2协议支持，以及与快速角色转换（FRS）、双角色端口（DRP）和Try.SNK模式有关的配置设置。这款独立产品无需外部微控制器，提供开箱即用的USB PD 3.0兼容性，使用户能够在无需开发固件的情况下自行定义终端应用的功能。该产品还具有28V额定电压、防止CC引脚短路到VBUS短路保护、集成模数转换器（ADC）和湿度检测/防腐蚀等功能，适用于各类恶劣工作环境。

MAX77958可通过其主I2C接口自主控制配套的充电器。MAX77961是一款带有集成FET的6A降压-升压充电器，可为大容量2S和3S锂电池快速充电。它为USB PD充电提供宽输入电压范围（3.5V至25V），不需要分立FET，并且不论在有无外部处理器的情况下都可以进行配置。在输入电压为9VIN、输出电压为7.4VOUT、输出电流为1.5AOUT时，其峰值效率为97%。

有意者可以使用MAX77958EVKIT-2S6#（适配2S电池）或MAX77958EVKIT-3S6#（适配3S电池）来评估上述两个器件。这两个器件展示了MAX77958如何利用I2C对 MAX77961充电器进行控制。

上述ADI器件均属于广义USB Type-C和USB PD器件系列。而该系列包含高能效充电器和转换器、耐用的自动控制器、电源通路和保护IC等多种产品，可供自由选择组合。