USB Type-C PD 移动电源参考设计方案

tips：TI设计方案参考分析：TI Designs：TIDA-01627

1.系统描述
2.系统概述
3.系统供电方案
4.测试数据
5.设计文件
6.关键术语

说明

此移动电源参考设计提供高度集成的 USB Type-C™电力传输 (PD) 解决方案来为笔记本电脑充电。此设计的关键目标是降低物料清单 (BOM) 成本，同时保持整体功能正常运行。该设计可满足降低静态电流的独特要求，并涵盖了所有的需求，从而引导用户完成元器件选择和各方面的折衷。

特性

• 支持适用于电源数据对象 (PDO) 的 5V/3A、9V/3A、14.8V/2A、15V/3A 和 20V/2.25A 输出
• 支持高达 45W 的功率，能够为便携式设备充电
• 连接到 USB PD 电源后自动充电

应用
笔记本电脑充电
手机充电
其他 USB Type-C 或 PD 设备充电或供电

1.系统描述

对于许多人来说，携带多个设备是日常生活中正常的部分，如果不是必需的话。在整体电池寿命减少的同时，用户对这些小工具的平均依赖性会持续增加。
许多用户别无选择，只能携带另一种便携式电源来帮助移动时给小工具充电。此参考设计提供了一种移动电源解决方案，可以提供45 w的功率来为移动设备充电，从而可以不使用传统电源。

（1）系统关键参数

2.系统概述
此参考设计主要有两个关键元器件: TPS65987D和BQ25703A。
TPS65987D是控制所有USB Type-C的PD控制器和PD转换器，此外还通过I2C控制BQ25703A为电池充电。

这个电池充电器芯片管理所有的电源和电池充电。该芯片还可以作为反向降压升压，以在移动 (OTG) 模式下提供电源。

TPD8S300提供保护，防止静电放电 (ESD) 和VBUS到CC短路，tps563200从电池产生3.3 V，为PD控制器供电。

（1）原理框图如图所示：

（2）设计概述
该TIDA-01627系统演示了如何使用USB-Type-C和PD端口制造可靠的移动电源。为了实现这一目标，参考设计使用了市场上最集成的USB-PD控制器和电池控制器。

这两种设备的独特组合确保了最可靠和最具成本效益的解决方案，可以在旅途中为笔记本充电。

此参考设计已使用三个锂离子电池进行了测试; 但是，通过简单地更改R12和R14的值，它可以支持一到四个电池。
有关此自定义设置的更多详细信息，请参见BQ25703A I2C多化学电池降压-升压充电控制器，带有系统电源监视器和处理器热监视器。请注意，电池的尺寸必须适当以支持PD负载，而移动电源也必须支持PD负载。

以下小节显示了该设计的各个部分以及它们使用的设备。

①TPS65987D USB-Type-C和具有固件升级功能的PD控制器

TPS65987D 是独立的 USB Type-C 和功率传输 (PD) 控制器，可为单个 USB Type-C 接口提供线缆插头连接状态和方向检测。进行线缆检测时，TPS65987D 会使用 USB PD 协议在 CC 线路上进行通信。在线缆检测和 USB PD 协商完成后，TPS65987D 会启用合适的电源路径并为外部多路复用器配置交替模式设置。

该设备是该系统的大脑，负责与连接的设备协商合同，控制BQ25703A设备的各种设置。
选择此设备是因为它提供I2C主功能，可以通过使用其配置实用程序来控制任何I2C从机。


TPS65987D原理图：

TPS65987D电源的原理图：

②BQ25703A带系统电源监视器的多化学电池降压升压充电控制器

BQ25703A是一款降压-升压，窄电压DC (NVDC) 充电控制器，适用于多化学便携式应用，如笔记本电脑和其他带有可充电电池的移动设备。
该设备提供转换器操作模式 (降压、升压或降压-升压) 、快速瞬态响应和高轻载效率之间的无缝转换。
BQ25703A的输入电压从3.5 V到24 V，并为一到四个电池串联充电。BQ25703A还支持USB On-The-Go (OTG)，以在USB端口提供4.48 V至20.8 V的输出。

该设备非常适合此参考设计，因为它可以用作电池控制器以及DC-DC转换器。当电源组是接收器并为其自身的电池充电时，该芯片会对电池充电，而在电源模式期间，该芯片充当DC-DC转换器以生成VBUS。

③TPD8S300USB Type-C端口保护器
TPD8S300是一种单芯片，USB Type-C端口保护解决方案，可提供20v短至vbus过压和IEC ESD保护。TPD8S300为USB Type-C连接器的CC1，CC2，SBU1和SBU2引脚集成了四个通道的20v短到vbus和过压保护。此外，还需要IEC 61000-4-2系统级ESD保护来保护USB Type-C端口免受最终产品用户产生的攻击。

TPD8S300集成了八个IEC61000-4-2ESD保护通道，用于USB Type-C连接器的CC1、CC2、SBU1、SBU2、DP_T (顶侧D-) 、DM_T (顶侧D-) 、DP_B (底侧D-) 引脚。
这种集成意味着为TPD8S300设备中的单个芯片中的USB Type-C连接器上的所有低速引脚提供IECESD保护。
此外，CC和SBU线路需要高压IEC ESD保护，该保护直流22V，以同时支持IEC ESD和短路至VBUS保护; 不幸的是，没有多少离散的市场解决方案可以提供这种保护。
TPD8S300集成了这种高压IEC ESD二极管，并经过专门设计，以确保其与器件内部的过压保护场效应晶体管 (FETs) 配合使用。

这种解决方案很难用离散组件生成。

④TPS563200 DC-DC转换器
TPS563200是一种易于使用的同步降压DC-DC转换器，针对低待机电流进行了优化，具有最少的外部器件。

通常为650 KHz的高开关频率允许使用小电感器，并通过使用D-CAP2提供快速的瞬态响应以及高输出电压精度模式控制。

在此参考设计中，该DC-DC转换器的功能是生成3.3 V电源轨，为TPS65987D器件供电。如果没有任何连接至移动电源，则enable输入将变为低电平，并且一切都将关闭。

如果将任何PD电源接收器连接到电源组，则只要连接了设备，此输入就会保持高电平。

3.系统供电方案
此移动电源参考设计具有两种不同的电源模式: 电源模式和电源接收器模式。

（1）电源模式
在这种模式下，移动电源用作电源，并且与其连接的设备汲取电源。要在此模式下启动，用户必须按下S1开关，然后确保在LED打开后连接设备。
用户可以在连接设备后释放此开关，之后它将不再响应进一步按下动作指令。如果设备作为接收器出现，则TPS65987D设备将 “SRC_EVT” 节点驱动为高，这通过在SYS_EN节点保持3.3 V来确保即使在S1被释放后U3仍保持打开状态。

TPS65987D设备在检测到断开连接时将SRC_EVT节点驱动为低电，这会迫使SYS_EN节点在一段时间后关闭，之后U3最终关闭并导致系统关闭。

如图所示电源组的3.3 V电源方案的示意图。

（2）电源接收模式
每当连接PD源时，该移动电源就开始在 “没电” 模式下充电。LED自动打开以指示充电状态。

按下用户开关S1会导致电源模式交换，如果被连接的设备接受，则会导致移动电源进入电源模式。

4.测试数据

（1）笔记本充电
当用户在移动电源连接到笔记本的情况下按下开关时，移动电源成为电源。电源模块发送其源功率数据对象 (PDO)，笔记本电脑从可用选项中请求合适的PDO。

根据图8中的给定情况，移动电源呈现各种PDO，笔记本选择20V pdo。

5.设计文件

（1）原理图


6.关键术语

BOM— Bill of materials 物料清单

ESD— Electrostatic discharge 静电放电

FET— Field-effect transistor 场效应晶体管

LED— Light-emitting diode 发光二极管

NVDC— Narrow voltage DC 限定直流电压

OTG— On-the-go

PD— Power delivery 快充

PDO— Power data object 功率消耗对象