最新專用USB-C控制器芯片：簡化設(shè)計的高集成度、降低BoM成本并加快USB-C電源系統(tǒng)的開發(fā)

USB開發(fā)者聯(lián)盟(UBS-IF)推出的USB供電(USB PD)標(biāo)準(zhǔn)最新3.0版本將引發(fā)電源適配器、移動電源和充電器制造商為筆記本電腦、平板電腦和手機等新消費類設(shè)備開發(fā)新產(chǎn)品的浪潮。通過USB Type-C連接器實現(xiàn)的USB PD 3.0可使用最大20伏 / 5安電源，將USB接口的額定功率從7.5瓦提高到最高100瓦。通過引入USB PD 3.0，使通過USB Type-C的電池可快充和為一體式PC的供電系統(tǒng)成為可能。

隨著USB Type-C接口標(biāo)準(zhǔn)的推出，全新USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)將得到認可。USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)提供了一種新的連接器/插座設(shè)計。這種USB-C插頭可雙向插接，更便于用戶使用。相比于熟悉的USB Type-A連接器，此USB-C連接器更小，并能夠承載HDMI，DisplayPort通信以及USB通信(請參見圖1)。

關(guān)鍵的是，USB-C連接器也可與USB PD 3.0兼容。因此，電源適配器制造商現(xiàn)在可以生產(chǎn)通過一個采用標(biāo)準(zhǔn)外形和協(xié)議的小型雙向連接器提供高達100瓦功率的電源或充電器。這意味著，消費者將會很快熟悉并理解這項技術(shù)，該技術(shù)還使得任何USB-C設(shè)備可進行互操作。

這看上去是一個不錯的理念。實際上，分析師同樣認為在2016年至2021年期間，采用USB-C接口的USB PD設(shè)備的關(guān)鍵控制器組件市場將實現(xiàn)89%的年復(fù)合增長率。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)USB-C接口可以替代消費類設(shè)備中的多個其他接口

然而，生產(chǎn)一種單元緊湊、材料成本具有競爭力且具備上述所有優(yōu)點的功率器件，比系統(tǒng)設(shè)計師所想象的更具挑戰(zhàn)性。

首先，我們可以預(yù)見 ，USB-C和USB PD標(biāo)準(zhǔn)將確保不同制造商產(chǎn)品之間的互操作性，有助于維持消費者對USB接口作為多種設(shè)備充電和供電渠道的信心。實際上，USB標(biāo)準(zhǔn)本身和與UBS并存的標(biāo)準(zhǔn)(例如用于移動設(shè)備Quick Charge的Qualcomm®QuickCharge™ 技術(shù))都需要定期修訂和更新，以考慮新興用戶需求和新技術(shù)功能。Quick Charge技術(shù)最新版本是4.0版。這意味著自v1.0發(fā)布以來已經(jīng)進行三次重大修改，而且4.0版本不可能是最后一次。

與此同時，USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)本身不僅僅是一個設(shè)置用電設(shè)備輸入電壓和電流限制的電源規(guī)格，它的作用更多的是關(guān)于通信協(xié)議，通過這些協(xié)議，連接的設(shè)備可以建立自己的身份，執(zhí)行功能以及在任何給定場景中作為供電方或用電方需要扮演的角色。該標(biāo)準(zhǔn)還包括可以產(chǎn)生可變輸出功率，適用于多種終端設(shè)備的可編程電源相關(guān)規(guī)定的。

總之，負責(zé)設(shè)計具有USB PD 3.0功能的USB-C電源適配器或充電器的工程師通常需要：

•達到USB PD 3.0規(guī)范要求

•在設(shè)計中提供定期更新范圍以考慮規(guī)格變化

•提供如可編程電源和支持Quick Charge技術(shù)的理想功能

分立實現(xiàn)的缺點

一個能夠滿足上述要求的USB-C PD3.0系統(tǒng)具有一定的功能要求，其中的一些要求將分別通過硬件和軟件實現(xiàn)。

硬件功能包括：

•USB PD電源控制器

•電壓調(diào)節(jié)器，從而為電源控制器和其他有源組件供電

•一個高壓P - MOSFET，根據(jù)來自USB PD功率控制器的脈寬調(diào)制信號向用電設(shè)備供電

•驅(qū)動MOSFET的高壓門極驅(qū)動器

•USB-C標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的配置通道(CC)上的短路保護。 CC總線用于傳送PD協(xié)議信號。

•輸入電源總線(VBUS)上的過電流保護

•靜電放電保護

在軟件中，電源適配器需要實現(xiàn)USB-C和USB PD3​​.0協(xié)議并在必要時兼容Quick Charge協(xié)議。

通過使用多個分立組件，可以實現(xiàn)上述硬件和軟件功能：通常通過一個微控制器執(zhí)行系統(tǒng)控制和電源控制功能并運行協(xié)議軟件，此外還有分立MOSFET、柵極驅(qū)動器以及過流、過壓和靜電放電保護組件。

以這種方式通過使用多個分立元件來實現(xiàn)USB-C電源適配器，移動電源或充電器具有以下缺點：

•需要很多組件

•多個組件在電路板上的占用面積較大，使PCB變得更大、更復(fù)雜和更昂貴

•由多個固定功能硬件組件組成的系統(tǒng)不具有靈活性，因此更加難以根據(jù)規(guī)格或用戶要求的變化實現(xiàn)快速更新設(shè)計

為簡化和降低成本而集成

為了避免產(chǎn)生這些缺陷，賽普拉斯半導(dǎo)體在2017年上半年推出了用于USB-C的CCG3PA高集成電力傳輸控制器。在CCG3PA中，除了高壓電源開關(guān)之外，其他硬件功能被集成到一個芯片系統(tǒng)中。 賽普拉斯提供USB-C、USB PD 3.0和Quick Charge 4.0協(xié)議棧，且該軟件在帶有同時讀寫功能的64kB閃存支持的ARM®Cortex®-M0處理器內(nèi)核上運行，因此更便于進行應(yīng)用固件升級，保持互操作性。 CCG3PA在出廠時已通過符合USB PD 3.0標(biāo)準(zhǔn)的認證。該芯片還經(jīng)過Quick Charge 4.0、3.0和2.0認證。

如圖2所示，CCG3PA具有高集成度，與通過使用分立組件實現(xiàn)的功能等效系統(tǒng)相比，具有組件數(shù)量更少、電路板占位面積更小、電路板布局更簡單以及材料成本和PCB成本更低的優(yōu)勢。

圖2：CCG3PA電源控制器如何實現(xiàn)BoM集成

這些適用于整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)級優(yōu)勢十分重要，但在設(shè)計周期中還有一點非常重要：CCG3PA得到了一套完整全面開發(fā)資源的支持，與使用分立組件的普通開發(fā)流程相比，可大幅縮短產(chǎn)品上市時間。這些資源包括：

•用于45W USB-C筆記本電源適配器以及最大功率為27W的移動設(shè)備充電器的獨立參考設(shè)計。這兩種參考設(shè)計均帶有包含電路原理圖的文件。

•綜合全面的CCG3PA評估套件(部件號CY4532)，包含一個USB-C受電或充電端口和一個USB Type-A充電端口。該評估套件可用于為筆記本電腦、手機和其他USB設(shè)備供電和充電以及并為單或雙電池USB-C移動電源充電。

這些參考設(shè)計和評估板共同為許多終端產(chǎn)品設(shè)計提供了先進的藍圖，只需進行少量修改就能滿足特定的客戶需求。

結(jié)論

CCG3PA采用24引腳QFN或16引腳SOIC封裝，是一款適用于符合USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的USB-C上的緊湊型系統(tǒng)級芯片，只需添加外部MOSFET和AC-DC轉(zhuǎn)換器即可成為一個符合最新USB供電標(biāo)準(zhǔn)的完整離線電源適配器/充電器。

CCG3PA適配器和充電器綜合解決方案提供適用于多個終端設(shè)備的可編程電源，并支持Qualcomm Quick Charge充電技術(shù)。與使用分立元件的任何技術(shù)相比，可節(jié)省開發(fā)時間、BoM成本和空間。