如何透過最少的編程將 USB-C 裝置的功率傳輸快速提升至 100 W

通用序列匯流排 Type-C (USB-C) 連接埠越來越普遍，許多使用者用來為各式各樣的連線裝置提供更高位準的電力。然而，USB-C 規格限制「僅限 Type-C」裝置的基本電源最大為 15 W (5 V、3 A)。

要克服這一限制，設計人員可以添加 USB Power Delivery (PD) 並打造可在標準功率範圍 (SPR) 內提供高達 100 W (20 V、5 A) 功率的 Type-C PD 裝置。開發人員如今不用費力地全面編程 USB PD 協定，而是可以輕鬆地以現成的 PD 控制器進行配置，並對 AC/DC 充電器和電流控制 USB 連接埠添加自訂及最佳化的 PD 功能。

本文概述 PD 系統的核心要求。接著介紹 onsemi 的 FUSB15101MNTWG PD 控制器，並展示如何使用評估板、開發軟體、編程／偵錯配接器和 PD 協定分析儀，快速開始配置預編程控制器的韌體。

含協定控制功率調節功能的切換式轉換器

以往用於電池供電裝置的類比壁式充電器僅有兩個組件：變壓器和整流器。如今，更高效率、更大靈活性和持續小型化的各式需求，造成簡單的電子裝置在供電上變得非常複雜。今日的微控制器架構切換式轉換器必須透過複雜的協定與連接的智慧負載動態協商其輸出功率。

USB PD 就是此類協定之一。在 3.1 版本中，其透過智慧 USB Type-C 電子標記纜線組件 (EMCA) 連接纜線，協調高達 240 W 的電線功率，同時保持與較舊的 USB 標準向後相容。然而，透過 24 引腳 USB-C 連接器進行動態 PD 電力傳輸控制，將遠遠超過經典四線 USB 介面資料線路的靜態控制電壓。

USB PD 裝置可作為下行資料流程埠 (DFP) 電源、上行資料流程埠 (UFP) 電力消耗器 (或「流入 (sink)」)，或雙重用途埠 (DRP) 模式運作。PD 流出 (source) 裝置在內部將上拉電阻切換至兩條控制線 (CC1 和 CC2)；PD 流入裝置透過內部下拉電阻識別自身。

兩條 CC 線路會同時使用，以 300 kHz 時脈速率，傳輸長達 356 位元的 PD 訊息 (圖 1)。短控制訊息協調兩個連接埠夥伴之間的訊息流，而較長的資料訊息用於協商電源並控制內建自我測試 (BI​​ST) 或傳輸 OEM 特定內容。

圖 1：PD 訊息結構的長度可以動態增加到 356 位元。(圖片來源：Cypress Semiconductor，於 embedded.com)

PD 裝置之間的功率協商

USB PD 3.0 SPR 定義 5 至 20 V 之間的多個固定電壓位準，並且僅支援高達 100 W 的靜態功率配置。若使用可編程電源供應器 (PPS) 擴充，USB 流入裝置可以依據需求即時向 USB 電源請求 3 至 21 V 之間的電壓，增量為 20 mV。

因此，PPS 能簡化行動裝置中的切換式轉換器電子元件，減少散熱，並最佳化功率匹配以加速充電。USB PD 3.1 定義延伸功率範圍 (EPR) 最高可達 240 W，並使用可調式電壓電源 (AVS) 將匯流排電壓調節在較高範圍內 (15 至 48 V)。

由於 3 A 已經超過一般 USB 纜線的載流能力，因此 USB 開發者論壇 (USB-IF) 規定，必須使用特殊的 EMCA 纜線。這些纜線的電線有較粗的橫截面及較厚的纜線絕緣層。纜線插頭中的 E-Marker 晶片使用 PD 協定，確認這些加強的纜線功能。如此會影響流入裝置和流出裝置之間的功率協商。

PD 通訊使用特殊 K 編碼來描述訊息。用來指示序列開始的特殊 K 編碼序列稱為報文起始碼 (SOP)。其中定義了三個序列：SOP、SOP' 和 SOP''，以便 DFP (電源流出，例如 PD 網路充電配接器) 可以與 EMCA 纜線連接器中的兩個 E-Marker 晶片之一以及 UFP (USB 電源流入) 進行通訊，作為啟動器。

圖 2 中的流程圖顯示透過 EMCA 纜線連接的兩個 PD 裝置在成功的電源協商期間的訊息交換。

圖 2：兩個 USB PD 裝置之間透過 EMCA 纜線成功進行電源協商。註：Rqt = 請求；Ack = 確認。(圖片來源：Cypress Semiconductor，於 embedded.com)

配置而非編程

PD 協定的複雜性致使開發人員需進行艱難的編程工作。更快的方法是配置具有自訂功能的預編程 USB PD 控制器。例如，onsemi 的 FUSB15101MNTWG 控制器。這是一款高度整合的 USB PD 3.1 控制器，可以透過光耦合器控制 AC/DC 配接器的一次側切換式穩壓器，或者直接控制 DC/DC 連接埠穩流器。

此多功能合一解決方案以最佳化硬體周邊裝置 (包括數位類比和類比數位轉換器、NTC 溫度感測和 NMOS 閘極驅動器)，大幅降低電路複雜性。含應用程式開發介面 (API) 的開源韌體和 Eclipse 架構的整合開發環境 (IDE) 可促進編程。

FUSB15101 整合含 UART 介面的高效率 Arm® Cortex® M0+ 處理器，並支援 PPS 規範，可將輸出電壓調節為 3.3 至 21 V。提供可編程恆定電壓 (CV) 和恆定電流 (CC) 調節並補償纜線損耗。並提供過壓、欠壓、過電流、過熱保護功能，以及在 USB-C 連接器引腳上的過壓防護二極體。PD 控制器為 EMCA 纜線中的 E-Marker 晶片支援 V_CONN 電源，其閒置和睡眠模式符合性證書 (CoC) 和實驗設計 (DOE) 要求。

典型應用包括：

• USB PD 相容 AC/DC 配接器 (參見應用 1)
• USB PD 相容 DC/DC 連接埠 (參見應用 2)

應用一：USB PD 輸出的 AC/DC 切換式電源供應器

在此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器透過光耦合器控制 AC/DC 切換式電源供應器一次側的 NCP1345Q02D1R2G 準共振 (QR) 返馳式切換式穩壓器。NCP1345 採用變壓器輔助繞組的 9 至 38 V 電壓運作，同時使用第二個輔助繞組生成四倍高的電壓，以便在 3.3 V 的低 USB 輸出電壓下為 MOSFET 提供足夠的切換式電壓。在二次側，由 NCP4307AASNT1G 控制器控制同步整流。結合這三個 IC，可形成一個可調式電源供應器，此電源供應器在不同的 PD 電源配置下能保持 90% 左右的效率。

圖 3 顯示 USB-C PD 3.0 PPS 主電源充電器的主電路圖，以可供應 65 W (20 V/3.25 A) 的三個 IC 為基礎。

圖 3：在此 USB PD 壁式充電器解決方案中，FUSB15101 透過一個光耦合器，在 AC/DC 切換式電源供應器的一次側控制 NCP1345 QR 返馳式切換式穩壓器。(圖片來源：onsemi)

程式設計師可以使用 onsemi 的 NCP1342PD65WGEVB 評估板開始其 USB PD 電源供應器應用，如圖 4 所示。

圖 4：使用 NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 壁式充電器評估板，程式設計師可以立即開始編程。(圖片來源：onsemi)

此板的儲存扼流圈採用緊湊型 RM8 變壓器的形式，提供 60 W (20 V/3 A) 的輸出功率。NCP1342BMDCDD1R2G 準共振返馳式切換式穩壓器僅透過一個輔助繞組以 9 至 28 V 電壓工作。適合開發高效能離線電源轉換器和 USB PD 配接器，具有快速頻率折返 (RFF) 功能，可提高整個負載範圍內的效率。整合主動 X2 放電電容，因此無需放電電阻，並且在空載時功耗可低於 40 mW。

應用 2：USB PD 連接埠的 DC/DC 電流控制器

此應用中，FUSB15101 USB PD 控制器驅動 NCV81599MWTXG 四級降壓／升壓、升壓／降壓 DC/DC 轉換器控制器。能讓原本限制在 15 W 的 USB-C 連接埠能夠擴充至 PD 電源，提供超過 60 W 的功率，並由裝置的內部 DC 電源供應器或電池供電 (圖 5)。

圖 5：在此 DC/DC 連接埠電流控制器應用中，FUSB15101 直接控制四級 DC/DC 轉換器控制器 NCV81599。(圖片來源：onsemi)

透過使用 FUSB3307MPX-PPS-GEVB 評估板，開發人員可以節省時間並立即開始使用 NCV81599 進行測試和編程。此 DC/DC 穩流器電路將 USB 連接埠轉換為 PD 3.0 PPS 電流源，在 3.3 至 21 V 的匯流排電壓下提供高達 5 A 的電流 (圖 6)。此電路能夠偵測 E-Marker 纜線，並且可獨立運作或連接到測試裝置。

圖 6：FUSB3307MPX-PPS-GEVB 是 NCV81599 的評估板，可將 USB 連接埠轉變為 PD 3.0 PPS 電源。(圖片來源：onsemi)

DC 電源供應器或電池為 FUSB3307 板的 V_BAT 輸入提供 4.5 至 32 V 電壓。此電路可處理恆定電壓 (CV) 或恆定電流 (CC) 調節，並具有過壓、欠壓、短路、過熱、纜線故障保護功能。

對 FUSB15101 進行編程

FUSB15010 韌體 是高度最佳化的 Type-C PD 控制器驅動器，支援整合式 Arm Cortex M0+ 處理器。此韌體可以靈活處理新的 PD 訊息以及其他 Type-C 狀態流。程式碼以模組化方式編排，將應用原始碼、硬體抽象層、平台相關程式碼和 USB Type-C PD 核心功能分開。

PD 核心功能可透過「專案建立選項」或修改供應商資訊文件「vif_info.h」進行配置。此程式碼庫包括一個可使用 IDE 進行編寫的 Eclipse 範例專案，能更快啟用以評估 Type-C PD 獨立控制器。

表 1 總結 FUSB15101 支援的 PD 配置；PDO 是電力傳輸對象。

表格 1：FUSB15101 支援的 PD 配置。(表格來源：onsemi)

如前所述，可以在文件「vif_info.h」中輕鬆修改充電配置的參數。以下程式碼顯示如何將 PDO 4 中的最大電流從 20 V/3 A 變更為 20 V/3.25 A：

目前 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

新的 PDO 值：

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3.25 A

關於安裝 IDE 以及韌體匯入和編寫二進位檔案的詳情和說明，請參閱 FUSB15101EVBSPG 指南。

UM70086-D 使用手冊記載如何安裝編程工具和單次快閃記憶體的步驟。Segger Microcontroller Systems 的 8.08.91 J-LINK EDU MINI 是合適的 Arm Cortex-M 編程和偵錯配接器，可促成開發。

檢查 PD 通訊

開發人員可以使用 Infineon Technologies 的 CY4500 協定分析儀驗證兩個 USB PD 裝置之間的通訊。此分析儀支援 USB PD 3.0 和 USB-C 規範，會執行非侵入式測試並擷取 CC 線路上的準確協定訊息。相關的 EZ-PD 分析軟體詳細列出兩個 USB PD 裝置和 EMCA 纜線之間對話的所有訊息 (圖 7)。

圖 7：EZ-PD 分析軟體透過 CC 線路追蹤兩個 USB PD 裝置之間的對話。(圖片來源：Infineon Technologies)

結論

必須要瞭解 USB PD 協定的基礎知識，才能調整設計以滿足最終使用者裝置不斷增加的電源需求，但此協定極其複雜，可能需要大量編程。開發人員可以使用預編程、高度整合的 USB PD 控制器將 15 W USB-C 功率提升至 100 W 以上，如此可節省時間。只需配置 PD 控制器，即可透過自訂 PD 功能強化 AC/DC USB 充電器以及 DC/DC USB 連接埠。利用評估板和 PD 協定分析儀可以促進開發過程。