了解 USB-PD 3.2 規(guī)范

隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種設(shè)備、媒體格式和價(jià)格實(shí)惠的存儲(chǔ)都需要更大的帶寬來維持用戶已經(jīng)習(xí)慣的互動(dòng)體驗(yàn)。此外，用戶應(yīng)用程序需要個(gè)人計(jì)算機(jī)和這些日益先進(jìn)的外圍設(shè)備之間更高效、更快速的連接。USB-PD 3.2 規(guī)范滿足了這一要求，通過采用更快的傳輸速度來滿足現(xiàn)代應(yīng)用程序和設(shè)備的需求。我們將深入探討新的可調(diào)電壓源 (AVS) 要求及其對電源(充電器)和接收器(設(shè)備)兩側(cè)電源系統(tǒng)的影響。

USB-PD 3.2 的主要更新

AVS 要求和腐蝕緩解是 USB-C 和 USB-PD 規(guī)范的主要更新。

在 USB-PD 3.2 中，AVS 對于某些功率輸出范圍(27-100 W)是必需的。此功能允許充電器調(diào)整電壓輸出以更好地滿足設(shè)備需求，從而大大提高充電效率。

此外，在最新更新中，USB-TYPEC 規(guī)范現(xiàn)在包括檢測和減輕液體進(jìn)入連接器造成的損壞的指南。這兩項(xiàng)功能都對接收器和源系統(tǒng)有影響。

USB-PD 電源規(guī)則

在 USB-PD 3.2 之前，電源能夠提供的所需電壓取決于其額定功率。例如，額定功率低于 100 W 的電源可能只需要提供最高 20 V 的電壓，而電纜可能會(huì)將其限制在 20 V 或更低。此外，所需電流只是設(shè)備的額定功率除以提供的電壓。

圖 1 顯示了根據(jù) USB-PD 電源規(guī)則 R3.1，具有給定功率額定值的電源必須能夠提供的電壓。我們可以看到，對于低于 100 W 的功率，只需要四個(gè)電壓(5、9、15 和 20 V)。

所需電流可以通過將 PDP 額定值除以電壓等級來計(jì)算。即使電纜可能將電流限制為 3 A，也可以實(shí)現(xiàn) 5 A 的最大電流。

圖 1：USB-PD R3.1 的電壓與額定功率(來源：Waters，D.，2024 年)

USB-PD R3.2 引入了重大變化。雖然所需電流與 R3.1 相同，但標(biāo)準(zhǔn)功率范圍 (SPR) 現(xiàn)在需要 AVS。SPR 中有兩個(gè) AVS 區(qū)域：

· 27 W ≤ PDP ≤ 45 W：電壓可在 9 V 至 15 V 之間以 100 mV 為步長進(jìn)行調(diào)整。這意味著電壓選項(xiàng)比 R3.1 多 59 個(gè)。

· 45 W ≤ PDP ≤ 100 W：電壓可在 9 V 至 20 V 之間以 100 mV 為步長進(jìn)行調(diào)整。這意味著電壓選項(xiàng)比 R3.1 多 108 個(gè)。

AVS 和 PPS

如果我們還考慮可編程電源 (PPS) 選項(xiàng)，如圖 2 所示，我們可以看到它現(xiàn)在從最低 5 V 開始(在之前的規(guī)范中，它是 3.3 V)，并且它具有與 AVS 不同的步驟(20 mV)。

圖 2：帶 PPS 的 USB-PD R3.2 的電壓與額定功率(來源：Waters，D.，2024 年)

需要注意的是，USB 充電器(電源)可能包含或不包含 PPS。USB-IF 組織認(rèn)證帶有 PPS 的“快速充電器”和不帶有 PPS 的普通“充電器”。但是，如果 USB 充電器支持 PPS，則可以輕松添加 AVS。

如果有 PPS，一些充電產(chǎn)品將充電得更快。對于尚未實(shí)現(xiàn) PPS 的充電器來說，AVS 是一個(gè)很大的變化。

對源匯系統(tǒng)的影響

總而言之，額定功率在 27 W 和 100 W 之間的電源現(xiàn)在必須實(shí)施 AVS，這需要額外的硬件復(fù)雜性。對于尚不支持 PPS 的較簡單的充電器實(shí)施來說，這可能是一個(gè)重大變化。

對于多端口充電器，有不同的架構(gòu)需要考慮(圖 4)：

· 保證容量：無論連接的設(shè)備是什么，設(shè)備都會(huì)在其所有端口上始終提供相同水平的電力。

· 共享容量：如果由于任何原因(例如另一個(gè)端口需要電源或增強(qiáng)熱管理)電源不可用，則 PD 控制器可以強(qiáng)制接收器降低其電源請求。

圖 4 顯示了多端口充電器的示例。此處，兩個(gè)端口上可用的總功率小于 60 W。共享算法由實(shí)施者決定。每個(gè)端口所需的最小功率為 7.5 W。

由于充電器上的充電端口經(jīng)常利用不足，共享容量充電器越來越受歡迎。利用當(dāng)前正在使用的端口可以提供更多電量，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

在某些溫度設(shè)置下，例如車載 USB-C 充電，即使是具有保證容量的充電器也可能會(huì)偶爾減少可用電量。

圖 3：多端口充電器可用的策略(來源：Waters，D.，2024 年)

當(dāng)然，如果有帶 AVS 的充電器，接收器(設(shè)備)也可以從更快的充電中受益。但是，它仍然必須設(shè)計(jì)為與不支持 AVS 的舊充電器配合使用。

某些源應(yīng)用和接收器應(yīng)用可能需要特定的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器類型，具體取決于其電壓需求和功能要求。

USB-C 規(guī)定的容差允許電纜源端為 4.75 V。但由于 USB-C 在 VBUS 電流為 3° 時(shí)允許 0.75 V 的 IR 壓降，因此當(dāng)標(biāo)稱 VBUS = 5 V 時(shí)，接收器可能會(huì)看到低至 4.0 V。話雖如此，如果接收器需要的電壓低于 4.0 V，則需要降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。否則，可以使用降壓/升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(如果它提供一些附加功能，例如慢速充電，那就更好了)。

DC/DC 降壓和降壓/升壓轉(zhuǎn)換器也可用于供電應(yīng)用，但最好使用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器以獲得更好的熱性能和效率。

腐蝕

液體會(huì)腐蝕 USB 連接器，因此是造成故障或損壞的潛在原因。將電纜插頭浸入液體中并拔出，然后將電纜插頭插入插座，可能會(huì)損壞插座。

值得注意的是，從 USB-A 2.0 過渡到 USB-C，引腳間距減少了 6 倍，USB-C 的間距為 0.5 毫米。USB-C 規(guī)范現(xiàn)在包括識(shí)別和最大限度減少液體損壞影響的說明。

USB-PD 3.2 引入 AVS 為充電器和設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。AVS 提供了一種通用行為，因?yàn)?AVS 允許設(shè)備針對特定電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)?USB-PD 3.2 充電器可以提供該電壓以實(shí)現(xiàn)最佳充電效率。通過將電壓輸出與設(shè)備的需求相匹配，AVS 可以潛在地減少充電過程中的能量損失。

雖然 AVS 可以提高充電效率，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。了解這些變化對于開發(fā)符合最新 USB-PD 規(guī)范的產(chǎn)品的工程師來說至關(guān)重要。