USB PD 3 汲極控制器可增強 USB Type-C 應用

隨著區域性主管機關逐漸要求採用以標準 USB Type-C® 纜線與連接器為準的共用充電方案，自行研發的裝置充電器需求正迅速消失。為了符合這個標準，產品設計人員爭相趕上這個區域性要求，因此採用了 USB 電力傳輸 (PD) 汲極控制器，在裝置和充電器之間進行電力傳輸協商，進而在這個新時代達到應用最佳化。

2024 年 12 月以後，歐盟內任何需要高達 100 W 功率的有線充電式裝置 (筆記型電腦暫時豁免至 2026 年實施)，必須使用符合 USB PD 規格的 USB Type-C 充電埠。要求採用此標準的其他區域包括 印度和沙烏地阿拉伯將在 2025 年生效，緊接著 2026 年將在加州生效。

單純 USB Type-C 在 3 A 情況下僅能提供 5 V 電力，總功率為 15 W。若要達到 100 W，需要使用 USB PD 3.0 或 USB PD 3.1 規格，以確保 Type-C 連接器可以協商更高的電壓，同時也可傳輸高速數據。

USB PD 3.0 支援高達 100 W 的電力傳輸，可提供 5 V、9 V、15 V 和 20 V 的固定電壓，且最大電流為 5 A。更新的 USB PD 3.1 規格具有延伸功率範圍 (EPR) 和進階電壓供應 (AVS)，可將輸出功率增強至最多 240 W，並新增三種固定電壓，分別為 28 V、36 V 和 48 V。

USB PD 3.x 規格從更早的 PD 2.0 版本進行改進，增加了汲極 (接收電力的裝置) 和源極 (提供電力的裝置) 之間的資訊交換量，以便將可能影響應用的因素納入，例如裝置電池的充電狀態、電池溫度、故障和過壓。

透過 USB PD 3.0 傳輸的 100 W 功率，足以為某些筆記型電腦、監視器甚至某些電視機充電。USB PD 還支援包括 DisplayPort 和 HDMI 的視訊和音訊輸出，以及像是 Thunderbolt 3 等的數據傳輸協定。

達到增強型應用

產品設計人員可以利用 USB PD 3.x 的優勢為使用者提供更好的體驗，即透過單一纜線和連接器，達到更快的充電速度和數據傳輸，以及裝置相容性。過往，消費者和企業為了對多部裝置充電，需使用多條纜線和充電器，因此累積了許多電子廢棄物，從此之後，設計人員就可宣稱減少這類廢棄物。

這項技術能讓設計人員使用更少的連接埠和元件，進而簡化設計。此外，還可省去充電器的重量及額外的包裝，進而降低製造和運輸成本；同時還可省下針對新裝置專屬充電器進行更新所需的時間和精力。

使用單一纜線和連接器來提供多種功能，設計人員就可專注在打造全新和增進的應用，以發揮 USB Type-C PD 帶來的高功率和數據傳輸率優勢。另外，還可透過擴充底座、集線器和轉換器等附加功能，擴充裝置的連接性和相容性，進而增強使用者的體驗及其產品的功能。

在開發採用 USB PD 3.0 的新應用時，產品設計人員面臨了一些挑戰，例如遵守 USB PD 規範，並確保與其他裝置和充電器的互通性。

另一個關鍵問題在於避免過壓、過電流或反轉極性所造成的破壞或損傷，特別是使用此技術的解決方案採用了比前代更複雜的電路和韌體。支援多種協定和配置的電力傳輸控制器，以及支援快速原型開發和驗證的評估板，都有助於克服這些挑戰。

發揮 USB Type-C PD 的功用

USB PD 3.0 的重點在於能夠使用標準化協定，對汲極和電源之間的電力傳輸進行協商及管理。USB PD 汲極控制器會跟 USB PD 源極 (例如充電器) 進行協商，以獲得裝置的電力設定檔。符合規格的裝置可以根據其需求和功能，來請求並提供不同的電壓和電流，並在運作期間動態調整功率位準。

電力傳輸協商和管理流程包括四個階段：

• 發現：此階段會在汲極和源極彼此識別到彼此屬於 USB PD 相容裝置，並透過 USB Type-C 連接器上配置通道 (CC) 引腳建立數據通訊通道時發生。
• 功能交換：當源極向汲極確認其所支援的電力設定檔 (電壓和電流位準)，汲極接著會請求提供符合其要求的設定檔。
• 電源協約：源極接受或拒絕汲極請求的過程。如果接受，源極將利用協商後的電力參數，開始向汲極供應其請求的電力。
• 電力規則更新：能讓汲極或源極開啟新的電力協商，以因應電池電量或汲極負載的變化，或源極輸入功率的變化。

USB PD 3.0 利用延伸訊息來控制汲極和源極之間的資訊交換，包括電池狀態、溫度或製造商專屬數據。另外，還可支援可編程電源供應器 (PPS) 模式，能對源極輸出電壓和電流進行更精細的控制，並可在不中斷數據通訊的情況下，在汲極和源極之間順利切換電力角色。

USB PD 3.0 的另一項關鍵功能是逆向充電，可允許電池蓄電量較大的裝置為電池蓄電量較少的裝置充電，而不論其電力角色為何。舉例來說，筆記型電腦可以使用同一條 USB Type-C 纜線，對智慧型手機充電，或者同一支智慧型手機可以對耳機充電。這是一大福音，因為裝置使用者只要攜帶一條纜線就可對眾多裝置進行充電。

逆向充電不一定能與所有裝置或充電器相容。此外，還會導致裝置作為源極的電池續航力縮短，並導致電路設計的複雜度和成本增加。因此，就像所有電子應用一樣，產品設計人員必須權衡逆向充電在實作上的優缺點，以確保符合 USB PD 3.x 規格，並且測試與各種裝置和充電器的互通性。

USB 3 汲極控制器

若要在裝置中促成 USB PD 3.x 功能，產品設計人員可以使用支援該協定的專用汲極控制器，以處理與源極裝置之間的通訊。

Diodes Incorporated 提供高度整合且符合成本效益的解決方案，可提供快速充電、逆向充電、PPS 模式，以及 USB PD 3.x 的其他功能。此外還支援 Qualcomm Quick Charge 4 + 和 Huawei FCP/SCP 等傳統協定，以確保與眾多充電器和配接器相容。

AP33771 (圖 1) 是一款 USB PD 3.0 控制器，不但具備符合 USB PD 3.0 的韌體，更有一個預載電力選單的介面，因此更容易使用。本產品還具備一個輸出通道，可供應高達 27 W 的功率。

圖 1：AP33771 汲極控制器的引腳分配。(圖片來源：Diodes Incorporated)

AP33772 (圖 2) 是一款 USB PD 3.0 控制器，採用 I²C 介面及內建韌體，可進行功率與電壓的協商。本產品能讓設計人員享有更大的靈活性，以實作所有 PD 汲極功能。還提供兩個輸出通道，可供應高達 45 W 的功率，並且內建過壓防護 (OVP) 電路，可避免充電器或纜線故障時對裝置造成破壞。

圖 2：Diodes 的 AP33772 汲極控制器與 AP33771 採用相同的封裝尺寸，但引腳分配有所不同。(圖片來源：Diodes Incorporated)

Diodes 還提供一款 USB PD 3.1 汲極控制器 AP33771C，可支援高達 28 V 的 EPR/AVS 以及高達 21 V 的標準電力範圍 (SPR)/PPS。

這些控制器的每一款都能提供低功耗、高效率及熱保護等多項功能。皆採用小型覆蓋區的 W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) 封裝，因此適用於緊湊的可攜式裝置。

此外，Diodes 還為自家的 USB PD 3.0 控制器提供兩款評估板：AP33771-EVB 和 AP33772-EVB。兩者的設計都可用於充電應用，需使用配備 Type-C 連接器的裝置，以及配備 Type-C 連接器的 PD 充電器或配接器。AP33771-EVB 使用簡單的電阻設定以進行 USB-PD 協商，而 AP33772-EVB 則使用 I²C。

結論

USB Type C 即將成為裝置數據連線的全球標準。USB PD 3.x 協定能讓產品設計人員利用全球通用的連接器和纜線打造相關應用，讓裝置供應更大功率、更快速充電並享有更優異的數據傳輸，再也不需要使用裝置專屬的充電器。透過 Diodes Incorporated 解決方案，產品設計人員可立即將 USB PD 3.0 或 PD 3.1 整合到裝置中，進而增強效能並改善使用者體驗。