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对通用充电器的需求

随着越来越多的消费类电子设备改用电池供电，如何给这些设备充电就成了一个重要问题。记得以前的手机使用的充电器五花八门，其中有一些可能还在你的抽屉里。除了手机充电器，其他设备如剃须刀、相机和手持游戏机也各自需要不同的充电器。出差或度假经常需要随身携带一袋子充电器，因为极少有充电器能通用于多个设备。

当USB micro-B成为智能手机、智能手表和智能家居恒温器等众多低功耗设备的首选连接器后，情况开始发生变化。不过USB micro-B最高只能提供约5W的功率，因此不适合大型设备。

 

USB-C正在变得无处不在

USB实现者论坛 (USB Implementers Forum，USB-IF) 于2014年底推出的USB Type-C连接器标准实现了创新，通过在接口两面各使用12个对称的引脚，使连接器正反两面皆可插入。新的连接器标准与USB 3.1接口规范几乎同时发布，但USB-C不一定要采用3.1规范进行通信。此外，USB-C还引入了传输其他数据信号的能力，比如用于传输的DisplayPort、HDMI、Thunderbolt以及USB数据。还有一个关键点是，USB-C能提供独立于USB数据模式的供电 (PD) 功能。USB-C有两个专用的引脚 (CC1和CC2)，用来与主机协商，在最高5A的电流下提供最高20V_DC的电压 (图1)。

凭借其100W的供电能力，USB-C很快就顺理成章地成为了各种消费类电子产品的通用电源连接器，取代了以前常用的micro-B连接器和众多圆柱状的“筒形”连接器。

图1 : USB-C连接器的引脚规格 (资料来源：USB实现者论坛)

 

USB供电方式

当前的USB-PD V3.0规范规定了四个额定电压等级：5V、9V、15V和20V，并可选择以20mV为步进单位设定电压。此外，该规范还支持最高达100W的输出功率水平，并能够提供恒压或恒流充电。这为设备充电提供了许多新机会，包括笔记本电脑和其他更高功率的设备。不过要使用USB-C连接器充电，实际应用中还需要配备微控制器、额外的电路和软件协议栈。

 

替换筒形连接器面临的技术挑战

在使用USB-C PD连接器代替筒形连接器时，工程团队需要完全熟悉USB PD规范，并确保设备在合规性和互操作性方面符合USB-IF的严格认证要求。符合USB-C标准的充电器本质上是一种可编程电源，它需要进行通信以使负载能够请求所需的电压和电流。因此，所有设计都需要微控制器和相关固件来操作完整的USB PD软件协议栈。在设计中引入更多组件将会拉长总体物料清单 (BOM)，并需要多次迭代来优化电源电路，最终形成一个在技术上和经济上都切实可行的解决方案。

 

设计最优解决方案

相对于从头开始实现USB PD，工程师们更愿意使用预先经过USB-IF认证的解决方案，比如Cypress EZ-PD™筒形连接器替代品 (BCR) 评估套件 (CY4533) (图2)。这种解决方案可用于轻松设计产品原型，用USB-C连接器代替传统的筒形连接器而无需开发任何固件 (图3)。这样可以非常快速地改造现有产品，让其改用通用的USB-C充电器。

图2：Cypress EZ-PD筒形连接器替代品 (BCR) 评估套件显示了主要的组件和连接 (资料来源：Cypress)

 

图3：使用Cypress EZ-PD BCR评估套件将USB-C轻松集成到终端设备的步骤 (资料来源：Cypress)

Cypress的EZ-PD筒形连接器替代品 (BCR) 评估套件嵌入了Cypress CYPD3177 BCR控制器，设计师可以通过电阻阶梯组合将其设置为所需的负载电压和电流值，而无需创建任何固件或自定义设备编程。完成初始原型设计后，Cypress还提供方便使用的参考设计，以便CYPD3177和六个电阻可以与合适的USB-C插座，如Molex USB-C连接器 (图4) 一起集成到最终产品中。Molex USB-C连接器属于Molex紧凑型USB Type-C连接器和电缆系列，支持最高达10Gbps的传输速度，并具有100W全功率供电能力。USB-C插座是通过将高温尼龙注塑模外壳放入金属外壳制成，具有中间连接板，支持稳定可靠的插配操作。

 

图4：Molex USB-C插座支持最高达10Gbps的传输速度，具有100W供电能力，与额定电流1.8A的micro-USB 2.0相比，电池充电时间可缩短64% (资料来源：Molex)

 

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