干貨收藏！加快USB PD電池充電器設計

便攜設備擁有的一些高級功能，比如5G、4K顯示等，往往推高了系統功耗——使用大容量2S電池設備的功耗通常遠遠超過15W。對于這些高耗電設備，使用USB充電（PD）大有裨益，因為它可以實現快速充電，使這些產品得以保持持續運行而避免發生停機（圖1）。此外，為了實現簡便化和標準化，諸多曾經使用AC-DC桶式適配器的應用正逐步轉向USB充電。

然而，對于設計人員來說，遵循USB PD標準通常需要復雜的固件開發和額外的硬件設計。由于Type-C端口針腳之間的距離短、電壓高（20V），因此如果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。

攝像頭、AR/VR系統和無線揚聲器等消費類電子設備正在引領USB Type-C和USB PD技術的發展。可是，考慮到上市時間的壓力，這些產品往往無法承受過于漫長的開發周期。隨著使用這些產品的消費者逐漸在其他專業產品中也想獲得同樣程度的便利，USB Type-C和USB PD技術在工業和醫療等領域中也將得到更廣泛的應用。同時，USB Type-C標準也逐步被應用在POS設備、工業掃描儀和吸奶器等領域。在本文中，我們將分享一些簡化USB PD設計的技巧。

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的便利

USB-C充電系統的設計挑戰

USB Type-C和USB PD為數據傳輸和供電提供對稱的24引腳接口的規范，使設計人員能夠設計實現通用的接口。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，您需要：

• 解決信號完整性和速度的問題

• 和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

• 滿足消費類設備等產品小尺寸的要求

• 保持熱效率，盡量減少溫升

要應對這些挑戰，通常設計者需要為USB-C協議開發復雜的主機端軟件，或者需要額外的部件，如外部FET和外部微控制器。不過，有一些充電系統的解決方案有助于盡量減少這些挑戰。這些方案的一個關鍵特性是完全遵守協議，因為這將簡化設計的實現。一些解決方案還設計有基于事件的操作腳本，使定制過程更簡便。高度集成的IC也將精簡大量分立元件的使用。另外，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。

另一個考慮因素是使用大容量的電池，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電池應用的方框圖。

圖2. 基于2S電池應用的框圖

開箱即用的USB-C兼容性

ADI的全新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，將開發時間縮短了三個月。與同類解決方案相比，其緊湊的尺寸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，這得益于其擁有依賴GUI驅動的定制腳本、BC1.2的協議支持，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的額定電壓、防止CC引腳短路到VBUS的短路保護、集成模數轉換器（ADC）和濕度檢測/防腐蝕等功能，適用于惡劣的工作環境。

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9VIN、輸出電壓為7.4VOUT、輸出電流為1.5AOUT時，其峰值效率為97%。

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

這些器件屬于廣義USB Type-C和USB PD器件系列 。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。