USB Type-C充电连接器：设计、优化和互操作性
【导读】2022年6月，欧盟议会批准了一项新指令，要求下一代便携式设备必须支持USB Type-C 充电连接器。制造商必须在 2024 年秋季之前为其产品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 电缆。这项指令为众多行业带来影响，包括手机、数码相机、手持视频游戏机、便携式扬声器、键盘、便携式导航设备、耳塞、鼠标、电子书、耳麦和耳机等。笔记本电脑也包括在内，但在2026 年之前，制造商还不需要遵守该项规定。到2027 年，欧盟议会计划在这项规定中增加更多的设备；然后，每 5 年召开一次会议讨论其他可能的应用。
欧盟颁布通用充电器指令
2022年6月，欧盟议会批准了一项新指令，要求下一代便携式设备必须支持USB Type-C 充电连接器。制造商必须在 2024 年秋季之前为其产品增加 USB Type-C 接口，以兼容 USB Type-C 电缆。这项指令为众多行业带来影响，包括手机、数码相机、手持视频游戏机、便携式扬声器、键盘、便携式导航设备、耳塞、鼠标、电子书、耳麦和耳机等。笔记本电脑也包括在内，但在2026 年之前，制造商还不需要遵守该项规定。到2027 年，欧盟议会计划在这项规定中增加更多的设备；然后，每 5 年召开一次会议讨论其他可能的应用。
随着这项指令开始生效，制造商需提供不带充电适配器的产品包装版本，也可选择提供原装充电器版本。这样，如果消费者已经有 USB Type-C 充电线和充电器时，他们可以购买不带新充电器的产品版本，从而节省资金并减少电子垃圾。据估计，这项规定每年可减少多达2200 万磅的电子垃圾。
本文将讨论 USB Type-C 连接器的工作原理、定义方式及其典型应用，同时以 MPS 产品为例，重点介绍如何优化 USB Type-C 连接器。
USB Type-C连接器
USB Type-C（也称为 USB-C）规范发布于 2014 年。这种连接器因优于 USB Type-A 等旧的USB 连接器而迅速流行起来。它支持正反插，即在插入端口时不需要关注方向，而且它们比传统连接器更加小巧（见图 1）。 更重要的是，USB Type-C 连接器可以处理更高的功率，这意味着它可以适用于更广泛的便携式应用。
图 1：USB Type-A 与 USB Type-C 连接器
USB Type-C电源检测
USB Type-C 连接器有特定的电源检测和协商接口。USB Type-A电源持续输出5V电压，而USB Type-C 电源则通常处于关闭状态，只有当用户将 USB Type-C 电缆插入设备时，电源才打开。这是因为 USB Type-C 连接器通过单独的配置通道 (CC) 引脚提供检测功能，只有在检测到电缆两端的连接时才打开电源。
此外，CC 引脚还提供电流水平检测功能，并实现电源（供电端）和耗电端（接收端）之间的角色定位。这项功能使USB Type-C 产品能够兼容传统 的5V USB 产品；与此同时，还能利用 CC 引脚进行功率协商，通过USB 供电 (USB PD) 协议实现更高功率的检测。
图 2 显示了 USB Type-C 电源检测的基本原理。
图 2：CC 引脚上的 USB Type-C 配置通道
USB Type-C 功率级别
如前所述，USB Type-C 连接器功能非常强大，它支持各种新标准，例如 USB PD、USB 3.1 和 DisplayPort。旧版本的 USB 连接器只能单向提供最高 7.5W 的功率，USB Type-C 则可以通过标准电缆和最少的附加电路支持高达 15W 的单向和双向应用，以及兼容USB PD并高于15W的应用。
标准功率范围 (SPR) 的 USB PD 可在 100W 功率时支持高达 20V 的电压。USB PD 规范最近更新的扩展功率范围 (EPR)更可以提供高达 240W 的功率。此外，USB PD 允许双向功率流动，这意味着设备可以提供或者接收功率；不像单向连接器，例如 micro-B USB，只能接收功率。广泛的功率传输范围意味着带PD功能的 USB Type-C 既可以轻松为智能手机充电，又可以为笔记本电脑充电。（不过，并非所有 USB Type-C 都支持 USB PD，本文将在后面进行更详细的讨论。）
表 1 显示了USB Type-C不同操作模式下的功率级别。
表 1：USB Type-C 连接器的功率输出
USB 供电 (USB PD)
如前所述，USB PD 可以提供高达 240W 的功率，并且支持双向操作，这意味着它可以提供或者接收功率。非PD的USB Type-C源可以提供最高 15W 的功率 (5V/3A)，而 USB PD 源可以提供超过 5V的电压，因此功率也超过 15W。功率传输提高意味着 USB PD 可以比传统连接器更快地为设备充电。此外，USB PD 还指定了供电端和接收端的电压和电流容限。
支持 USB PD 的产品需要两颗额外的芯片，即PD 控制器，一颗芯片在电源中（供电端），另一颗在便携式设备中（接收端）。产品利用两颗芯片的 CC 线通过电缆进行通信。供电端传达它可以支持的电压和电流，而接收端（例如扬声器或手机）则传达它需要的电压和电流。供电端相应调整其输出电压，以确保将最佳电压和电流量输送到接收端。由于这两颗芯片增加了成本，因此USB PD 通常不会用于功率低于 15W 的应用。
图 3 显示了 USB PD 的通信结构。
图3: USB PD通信结构
欧盟指令的另一部分是为高于15W 的应用提供 USB PD功能。尽管有部分公司采用私有协议来协商更高的电压和功率，但为了确保不同充电适配器和设备之间的互操作性与安全性，欧盟新指令规定不允许使用这些方法。此外，出于安全和互操作性方面的考虑，USB Type-C 规范明令禁止使用 USB PD 以外的协议将电压提升至 5V 以上。
例如，有些智能手机虽然使用了 USB Type-C 连接器，但只有在使用特定电缆、插入特定充电适配器时才能“快速”充电，因为这些产品并没有使用 USB PD。这意味着市售的某些 USB PD 充电适配器可能无法为产品快速充电，即使其额定功率与原装适配器相当。这种现状会导致用户混淆，增加电子垃圾，并使产品的安全性和可靠性依赖于特定制造商的私有充电协议。
USB Type-C 连接器：合规、安全与优化
在致力于让其产品支持USB Type-C的过程中，制造商们必须认识到，物理上充分满足要求与满足 USB Type-C 规范之间是有区别的。制造商可以自行决定是否提交其产品进行 USB Type-C 认证，从而在产品上印刷USB Type-C 的标志。
为了降低成本，有部分制造商只要USB Type-C 连接器能够供电或接收功率，达到其最低物理要求即可，而不是去获得认证。尽管这种方法性价比较高，但那些缺失的特性和功能有可能导致安全问题，从而损坏设备本身或与其相连的其他产品。
未经认证的 USB Type-C 产品可能产生五花八门的故障并带来安全隐患，但也有一些方法可以提供强大的保护措施来缓解这些问题，例如保护电缆、供电端和接收端。下面我们将讨论其中一些隐忧及其解决方案。以下第 1 点描述了经认证的 USB Type-C 接收器所具备的优势，其余各点均介绍 MPS 电源管理 IC 提供的额外保护功能和优化功能。
1. CC 引脚上的输入电流检测: 用于不支持 PD（那些低于 15W的应用）的 USB Type-C ，USB Type-C 供电端可以提示通告提供三个电流级别：默认、1.5A 和 3A。其中“默认”意味着向后兼容旧 款USB 源（100mA 至 1.5A）。接收端检测供电端的 CC 引脚通告以确定可以汲取多少电流，这一点非常重要。符合USB Type-C标准的接收端可以检测 CC 引脚上的值并相应地调整其输入电流限制，以避免从供电端汲取过多的电流。一旦设置了电流限制，当供电端更改其通告时，接收端就可以动态改变它汲取的电流量。
为了降低成本，部分制造商会在接收端的 CC 引脚上放置两个电阻；当电缆连接在两端之间时，供电端才会提供 5V电源（见图 4）。但只有当接收端消耗的电流不超过通过 USB 数据线协商的默认电流时，才允许这样配置。
图4: 通过电阻实现输入电流检测
如果使用电阻替代恰当的输入电流检测，接收端不会检查自己的 CC 引脚。假设一台计算机有一个只能提供 500mA 电流的USB Type-A 端口。当接收端无法识别供电端只能提供 500mA 电流时，它可能会尝试汲取 3A电流，这会造成过流 (OC) 情况并损坏供电端端口。接收端的充电器 IC 通常也有一个输入电压环路，但它只能防止输入电压降得太低。它无法保证接收端充电器 IC 的最小输入电压环路能够足够快地做出反应（或设置得足够高），以防止损坏供电端。因此，该保护应被视为 CC 电流检测和输入电流限制的备用电路，而不是主保护电路。
请注意，简单的电阻下拉方法可用于电流消耗不超过 1.5A 并提供 BC1.2 检测的接收端应用（见下文）。
2. BC1.2 和私有充电器检测：当供电端即没有 USB Type-C 连接器（传统电源），也不能提供小于 1.5 A 的电流时，BC1.2 标准定义了接收端如何检测其电流输出能力。这个检测过程通过D+ 和 D- 引脚执行。BC1.2中还增加了私有充电器检测的内容，它允许接收端检测常见的充电适配器。
USB Type-C 规范不要求接收端在支持 CC 引脚检测的情况下再兼容BC1.2标准。但是，如果接收端不符合BC1.2，则只能从 USB 2.0 供电端安全汲取 500mA 的最大电流，即 CC 引脚通告的默认电流。接收端添加 BC1.2兼容能力将允许其从通告了默认电流的供电端（例如传统电源）汲取高达 1.5A 的电流，从而获得更多功率、缩短充电时间并带来更好的终端用户体验。
3. 不合规的传统电缆检测：传统电缆是指一端为 USB Type-C 连接器，另一端具有不同（传统）USB 连接器的电缆。为了向接收端通告电流水平，传统 USB Type-A 电缆必须在 USB Type-C 侧的 CC 引脚和 VBUS 引脚之间连接一个 56kΩ 的上拉电阻。但是，有些不合规的传统 USB Type-C 电缆要么缺失上拉电阻（浮空或短路），要么阻值不正确。这都可能导致不正确的输入电流限制检测（如同使用 CC 引脚的输入电流检测），或者可能导致接收端 CC 引脚上发生过压 (OV) 事件，因为接收端的 CC 引脚可能直接短接至 VBUS。为避免这些问题，USB Type-C 接收端设备应能检测是否连接了不合规的传统 USB Type-C 电缆，从而保护 CC 引脚。
4. VBUS 和 CC 引脚的过压保护 (OVP)：SPR PD 充电适配器电压最高可达 21V，非 PD 充电适配器则最高 5.5V。因此，建议设置 VBUS 过压保护值至少为 21V，以防 PD 适配器出现故障或发生 VBUS 瞬态浪涌。在正常工作条件下，CC 引脚不应承受高电压，因为 CC 要么没有物理连接到 VBUS（例如使用 USB Type-C 电缆），要么是通过 56kΩ 电阻连接到 VBUS（例如使用传统电缆）。但是，由于 CC 引脚与 VBUS 引脚物理相邻，因此仍有可能因连接器内的杂质造成它们之间的短路。而且也有可能因使用了不合规的电缆，造成VBUS 与 CC 引脚之间的短路。为保护 CC 引脚免受这些情况的影响，强烈建议设置 OVP。
5. 连接器湿度检测：连接器上的湿气会随着时间的推移腐蚀并损坏器件，从而导致引脚短路或开路。这在双角色端口 (DRP) 或供电端应用中尤为常见；在这些应用中，产品在通告供电模式时向 CC 引脚施加上拉电压或电流（VBus在供电模式期间也被启用）。如果产品接触到任何电解液（例如水），设备应能够检测到，并强制产品进入接收端模式（移除 CC 上拉偏置和 VBus），并提醒用户。
6. 连接器温度监控：USB Type-C连接器有4个并联的VBUS引脚和4个接地引脚。随着时间的推移，连接器不断聚集杂质或磨损，一些引脚可能会出现开路情况，这会扰乱电流的流动并导致电流挤向其余引脚。这些额外的电流会让连接器升温。为避免过热和可能的永久性损坏，USB Type-C 产品应能够监测这种情况，在需要清洁连接器时提醒用户，并降低电流消耗以降低温度。
安全和优化用例
想象一根电缆两端都没有 USB Type-C连接器，该如何应对？一旦有物体插入，充电 IC 应能够检测到，分析电流限制，并确定电缆是否合规。如果是 USB Type-C 转 USB Type-C 电缆，CC 引脚将直通电缆，供电端电源上拉，然后接收端（带充电器 IC）下拉。
如果是传统的Type-A 转 Type-C 电缆， CC 电压将通过一个电阻上拉至 VBUS。但就在几年前，还有很多这类电缆是不合规的（例如用错电阻或 CC 引脚与输入电压短路）。这导致 CC 控制器或芯片检测到比实际电流更高的电流，这意味着具有 500mA 电流能力的供电端可能通过电缆告知了 3A 的电流能力。MP2722 等器件将可以应对这些问题，该器件可以检测这些电缆是否不合规，并正确设置输入电流限制（见图 5）。下面将详细介绍该器件。
图5: MP2722功能特性
一个安全且合规的解决方案应包含充电器IC、OVP 芯片和 CC 控制器芯片（或检测 CC 引脚的芯片）。部分制造商为了降低成本省略了接收端的CC 引脚检测和OVP 芯片。尽管这样也能为接收端提供电源，但却不能保证所连接产品的安全性。此外，也不能用于 DRP 应用。
MPS产品
MPS 一直引领着 USB Type-C 充电与电源管理领域的趋势，并提供涵盖范围广泛的 USB 应用解决方案。我们的目标不仅是满足 USB Type-C 最低限度的实现要求，而是在合规性、安全性和功能性等方方面面都具备额外的优势。
USB Type-C 应用与MPS 产品
支持 USB Type-C 的电源管理 IC应根据特定应用而选择。通常，这些产品可分为两类：≤15W 的应用和超过 15W 的应用。
对于功率 ≤15W 的应用，产品包括 智能手机、商业销售 (POS) 系统、扬声器、电子烟、耳机、智能手表和部分平板电脑。这些产品不一定需要符合USB PD 标准，它们可以简单地依靠 CC 控制器来确定电流水平和器件的电源角色。无需支持 USB PD 可以降低成本，因为无论供电端和接收端都不需要额外的 PD 控制器 IC。大多数功率小于15W 的产品都使用单节电池或并联的多节电池。这些产品可以是接收端、供电端或者双角色电源解决方案，如下所述：
1. 纯接收端：只需要充电的应用，可以使用单向、5V、15W 的充电器 IC 为电池充电并完成接收端 CC 控制器操作。MP2722 是这类应用的绝佳选择。
2. 纯供电端：包括电源和车载充电器。这类应用不需要电池，只需要一个 5V 稳压器和一个供电端 CC 控制器。
3. 双角色电源 (DRP)：DRP 解决方案是双向的，这意味着它既可以汲取电量也可以提供电量。MP2722 就是一款双向 5V、15W 充电器 IC，它既可以为电池充电，也可以提供 5V 输出和 DRP CC 控制器。
对于功率大于15W 的应用，如笔记本电脑、移动电源、大型扬声器、电动工具、医疗设备以及高端智能手机和平板电脑，则需要支持USB PD。这类解决方案提供 DRP，并通常分为两大类：
1. 单电池USB PD：单电池（或多节电池并联）USB PD方案一般用于≤20W的中高端手机、平板电脑和移动电源。MP2731 降压充电器IC专为这些应用而设计。具体详细信息，请参阅 MP2731 USB PD 参考设计。
2. 2至4节串联电池USB PD：多节电池串联的USB PD解决方案通常用于需要20W以上功率的笔记本电脑、平板电脑、游戏设备、医疗设备和移动电源。这些应用需要升降压充电器IC，例如 MP2760 或 MP2651，它们均可用于创建完整的USB PD 解决方案。
MP2722
MP2722是一款高度集成的 5V 开关模式电池充电器IC，适用于锂离子和锂聚合物电池。该器件提供窄电压直流 (NVDC) 电源路径管理功能，能够提供高达 5A 的充电电流。它完全符合 USB Type-C 1.3 标准，并提供集成的 CC DRP 控制器，用于源（供电端）模式或接收端模式下的双向 15W 调节。MP2722 还在 VBUS 引脚上集成了 26V OVP，在 CC 引脚上集成了 22V OVP，同时提供一个 I2C 接口用于灵活配置参数。
同类15W DRP USB Type-C 方案都需要单独的充电器 IC、DRP CC 控制器，以及 VBUS 和 CC 引脚的 OVP IC。MP2722 则将这三种功能都集成在一个芯片中，最大限度地节省了占位面积和成本（见图 6）。
图6: 传统解决方案与MP2722
此外，MP2722 还支持高级USB Type-C 功能，因而更加合规、安全且高度优化。 这些功能包括连接器温度监测、连接器湿度检测、不合规传统电缆检测，以及支持可优化传统充电适配器的 BC1.2。 MP2722尺寸小并完整集成了 USB Type-C 的所有功能， 非常适合单电池 USB Type-C 应用。
MP2731
MP2731 是一款 15V、4.5A 开关模式电池充电IC，它具有 NVDC 电源路径管理功能，并集成了模数转换器 (ADC) 和 I2C 接口。采用 MP2731 和外部 USB PD 控制器可以为 USB PD 应用提供完整的解决方案（请参阅参考设计），同时还符合 USB PD 3.0 规范。
该设计提供了一个 DRP USB Type-C 端口，允许双向供电并可在接收端模式下实现快充。当存在 USB 输入时，充电器被配置为接收端并为电池充电。如果 USB PD 接收端连接到该端口，则充电器充当供电端，并用电池作为电源提供稳定的输出电压。
MP2731 PD设计可实现高达18W的PD快充。此外，MP2731 还集成了一个输入阻断 FET，这样就可以选择使用一个额外的 USB PD 输入 FET，从而降低BOM 成本并减小PCB 尺寸。该设计适用于任何想要利用USB PD 实现快充的单电池应用。
MP2760 and MP2651
MP2760 是一款 20V、6A 升降压充电IC，它具有 NVDC 电源路径管理功能，适用于 1 至 4 节串联电池组。该器件具有 4 个集成开关 FET、ADC 和 I2C 接口，可提供极为紧凑的解决方案。它可以在升压模式、降压模式和升降压模式下运行，具体取决于输入和电池电压；通过反向操作，该器件可以在供电端模式下通过电池为输入供电。MP2760 电池充电器IC在SPR 电压和电流水平满量程范围内均符合 USB PD DRP 操作要求。
MP2651 与 MP2760 引脚对引脚兼容，但针对不需要 NVDC 电源路径管理的应用进行了优化，例如移动电源、电动工具和电池备份产品。
这两款器件均采用了 CCG3PA USB PD 控制器来创建完整的 USB PD 解决方案（见图 7）。该解决方案包含一个可双向操作的 DRP USB Type-C 端口。如果插入适配器，该端口可以充当接收端，并为电池充电；如果插入接收器，则该端口可以作为供电端，通过电池为 USB 供电。这两个部件均可通过 I2C 接口进行配置，因而更加灵活。该设计非常适合扬声器、平板电脑、医疗设备、商业销售(POS) 系统、无人机和摄像头等应用。
图 7：MP2760 的 USB PD 解决方案
结语
USB Type-C 连接器（也称为 USB-C 连接器）用途广泛，比旧款连接器尺寸小很多，而且向后兼容传统USB 标准，并可提供高达 240W 的功率。通过遵循 USB Type-C 和 USB PD 规范并根据本文讨论的优化措施，制造商将帮助保持产品之间的互操作性，提供可延长产品使用寿命的保护措施，并为欧盟减少电子垃圾的目标做出贡献。
在欧盟颁布通用充电器新规之前，MPS就一直致力于开发面向广泛USB Type-C 和 USB PD 应用的充电器 IC和电池管理设备 。随着 USB Type-C 连接器在全球范围内变得越来越普遍，便携式应用的买家和制造商们必将获益于我们丰富的产品系列。
免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。
推荐阅读：
可控硅工作解析
正确选择MOSFET以优化电源效率
常见的24V电池供电的应用有哪些？
SiC MOSFET的短沟道效应
超共源共栅简史
