如何加速USB快充電池充電器設計

當前移動終端所擁有的5G連接、4K超高清顯示等功能，往往都是“耗電大戶”，遠超常規雙芯電池的儲能。面對這些高耗電應用或設備，USB（PD）快充憑借著高效的充電能力，可為終端快速補充電力能源。不過，對于設計人員來說，要想采用USB PD協議標準并非易事，常常需要復雜的固件開發和額外的硬件設計。比如，Type-C端口針腳之間的距離短、電壓高（20V），一旦插入或斷開連接器的角度不正確，往往會造成損壞。事實上，USB Type-C和USB PD規范要求設計者具備軟硬件設計技術，以及對USB規范的深入了解。

隨著攝像頭、AR/VR系統和無線音箱等消費類電子設備逐步引領USB Type-C和USB PD技術發展，如何加速產品上市進程，縮短開發周期？如何擴展USB Type-C和USB PD技術在工業和醫療等領域的廣泛應用？下面ADI將分享一些簡化USB PD設計的技巧，助您事半功倍。

圖1.USB Type-C和USB PD為便攜設備帶來了快速數據傳輸和充電便利

USB-C充電系統設計挑戰分析

USB Type-C和USB PD可為數據傳輸和供電提供對稱的24引腳接口規范，使設計人員能夠設計實現通用接口。USB-C可提供5V/最高3A的充電電流（15W），而USB PD 3.0可提供5V到20V/最高5A的供電電流（100W）。要設計USB-C充電系統，需要考量以下挑戰：

• 解決信號完整性和速度問題

• 與各種傳統接口相連接

• 確保設計能夠適用于寬電壓電流范圍，包括支持冷啟動（0V，直到端-端檢測完成）

• 確保插入USB-C電源時，充電器和端口控制器能夠相互通信

• 滿足消費類設備的小尺寸要求

• 保持熱效率，盡量減少溫度升高

為了應對上述挑戰，設計者通常要為USB-C協議開發復雜的主機端軟件，或者增配額外部件，如外部FET和外部微控制器。不過，一些完全遵守協議的充電系統解決方案，可令設計實現獲得大幅簡化。另外一些設計有基于事件操作腳本的解決方案，則可讓定制過程更為簡便。同時，高度集成的IC也將精簡大量分立元件的使用。此外，設計者還需要考慮方案應具備在惡劣環境（例如不同的溫度或潮濕條件）下保持可靠運行的功能。

另一個必須考慮的因素是使用大容量電池，高耗電的終端設備需要這些電池來維持更長的運行時間。相比于1S電池，2S電池可以在不增加充電電流的情況下增大容量。由于USB-C支持5V到 20V之間的輸入電壓，而2S或3S電池的電壓介于這兩者之間，因此借助降壓-升壓轉換器可以彌補這一差距。圖2給出了基于2S電池應用的示意流程圖。

圖2.基于2S電池應用的示意流程圖

開箱即用的USB-C兼容性

ADI全新USB-C充電系統解決方案符合USB PD 3.0規范，無需進行固件開發，開箱即用，可將開發時間縮短三個月。與同類解決方案相比，其緊湊的體積可將解決方案的尺寸縮小一半。MAX77958 USB Type-C和USB PD充電控制器無需額外的固件開發，得益于其擁有依賴GUI驅動的定制腳本、BC1.2協議支持，以及與快速角色轉換（FRS）、雙角色端口（DRP）和Try.SNK模式有關的配置設置。這款獨立產品無需外部微控制器，提供開箱即用的USB PD 3.0兼容性，使用戶能夠在無需開發固件的情況下自行定義終端應用的功能。該產品還具有28V額定電壓、防止CC引腳短路到V_BUS短路保護、集成模數轉換器（ADC）和濕度檢測/防腐蝕等功能，適用于各類惡劣工作環境。

MAX77958可通過其主I²C接口自主控制配套的充電器。MAX77961是一款帶有集成FET的6A降壓-升壓充電器，可為大容量2S和3S鋰電池快速充電。它為USB PD充電提供寬輸入電壓范圍（3.5V至25V），不需要分立FET，并且不論在有無外部處理器的情況下都可以進行配置。在輸入電壓為9V_IN、輸出電壓為7.4V_OUT、輸出電流為1.5A_OUT時，其峰值效率為97%。

有意者可以使用MAX77958EVKIT-2S6#（適配2S電池）或MAX77958EVKIT-3S6#（適配3S電池）來評估上述兩個器件。這兩個器件展示了MAX77958如何利用I²C對 MAX77961充電器進行控制。

上述ADI器件均屬于廣義USB Type-C和USB PD器件系列。而該系列包含高能效充電器和轉換器、耐用的自動控制器、電源通路和保護IC等多種產品，可供自由選擇組合。