过去几年,我们看到了USB Type-C口的普及趋势与速度。尤其是在USB PD3.1标准发布以后,该规范将快充功率上限从100 W提升至240 W(支持Extended Power Range,简称EPR)。这一变化使USB Type-C可以为更多的设备提供足够的充电功率,包括一些需要更高功率充电的大型电子设备、物联网设备、通信和安防设备、汽车和医疗设备等。
在USB PD3.1标准中,EPR工作模式下包含28 V,36 V和48 V三种固定电压档和三种可调电压档(Adjustable Voltage Supply,简称AVS)。28V、36V、48V分别对应的是6节电池、8节电池和10节电池的应用,这让USB PD的能很好地适用于电脑、服务器、电机驱动和通信电源等设备。
图1:USB PD的应用
值得关注的是,USB PD3.1标准带来了一个比较典型的应用扩展--为24V直流电机驱动提供电源供应。直流电机主要功能是将电能转化为机械运动所需要的机械能,通常应用在电动工具、玩具车、电风扇等设备里。有数据表明,2022年全球电动工具出货量和市场规模分别为 5.1亿只和571.9亿美元,预计到2026年全球电动工具出货量将超过7亿台,市场规模将超过800亿美元。受电动工具无绳化的发展趋势影响,越来越多的电动工具采用多串锂电池组供电,而USB PD3.1标准的发布将有效推动电动工具无绳化发展并加速电动工具向USB PD快充的升级迭代。
使用独立的PD3.1 Sink升级您的电动工具设计
通过慧能泰半导体最新推出的 240W PD3.1 Sink控制器HUSB238A来升级电动工具的接口设计是一个最简单方式。HUSB238A是一款高度集成的独立的USB Type-C®和Power Delivery(PD)Sink控制器。它集成了CC逻辑、USB PD协议和传统协议,支持Type-C V2.1 & USB PD3.1标准、PPS 20mV和AVS 100mV调压,传输的额定功率可达240W(48 V 5 A)。HUSB238A可以在I²C模式和GPIO模式下运行。在I²C模式下,一个I²C主机以访问HUSB238A来配置设置、回读状态并执行高级功能,如数据角色交换,VDM信息。而在GPIO模式下,配置是通过设置引脚实现。HUSB238A的超低工作电流有助于系统降低总功耗,适合电池应用。它采用QFN 3 mm x 3 mm-16L封装,用于具有传统桶连接器或USB micro-B电源连接器的电子设备,如物联网设备、无线充电器、无人机、智能扬声器、电动工具和其他设备。
图2.HUSB238A的性能优势
如下图所示,HUSB238A与USB PD Source进行通信,通过USB-C连接器实现USB-C和PD握手。HUSB238A可以控制负载开关,实现过压和欠压保护。HUSB238A 支持PPS 20mV和AVS 100mV调压,通过主机控制HUSB238A进入I2C模式,可以把28 V AVS电压调到24V,直接给24 V直流电机供电。
图3.HUSB238A的系统框图
图4.HUSB238A PD3.1 参考设计小板
HUSB238A具有小尺寸封装与高集成度的设计,通过HUSB238A的PD诱骗小板,工程师无需额外的固件开发工作,可快速完成电动工具的接口升级。
图5.电动工具示例
将HUSB238A PD3.1小板与电动工具相连,并用一个140 W电源为其供电。启动电动工具,可以看到电动工具正常工作。在实际操作中,当需要诱骗出240 W(48 V 5 A)时,只需要为上述诱骗小板VBUS PIN增加额外的稳压电路(I²C模式下)即可实现。
图6.HUSB238A I2C模式下的PD诱骗小板电路图(最高48 V)
使用独立的PD DRP简化您的USB-C PD设计
当USB PD的功率上限提升到240W之后,它的应用场景大大拓宽,在面对一个USB PD 3.1的USB-C DRP设计(同时支持供电和受电)时可采用慧能泰半导体旗下的HUSB239。HUSB239是一个完全自主的USB PD DRP控制器,支持PR_SWAP、DR_SWAP、Discover ID和Discover SVID,用于Type-C场合的数据通信。它可以自由地被用户配置为Sink或DRP,支持识别调试配件和音频配件。HUSB239可以在两种模式下运行:I2C模式和 GPIO模式。在GPIO模式下,HUSB239的VSET和ISET引脚支持最大28 V/3.25 A的PDO,只需要通过两个电阻来设置电压和电流。而当HUSB239作为电源向外输出时,其支持最大5V3A的输出,输出的最大电流可以通过SRC_ISET引脚进行配置。同时,HUSB239的超低工作电流有助于降低系统的总功耗,适合于电池应用。HUSB239采用QFN 3 mm x 3 mm-16L封装。
图7.HUSB239框图
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目前,慧能泰已完成了围绕USB Type-C生态链的整体产品布局。在供电端,慧能泰提供各类高集成度高性能的A口、C口以及A+C多口快充协议芯片。在受电端,慧能泰可提供通过USB-IF认证的PD Sink HUSB238、集成MCU的USB PD DRP产品HUSB251,以及全自主USB Type-C端口控制器HUSB320等多类型的产品。而在线缆端,慧能泰有着全面的专利布局,已获6个相关专利证明,并已推出多款技术领先的USB eMarker产品,例如开启4引脚eMarker时代的HUSB332D、全球第一款过PD3.1认证的eMarker芯片HUSB332B、自带过温保护功能的eMarker HUSB332C以及打通UFCS生态链的HUSB335等。慧能泰的产品已获市场验证也广受好评。