在USB PD应用中实现可编程电源功能

随着智能手机变得越来越智能、体积越来越大，电池容量也在不断增加。能够快速为电池充电是供电时要考虑的一个关键方面。USB PD:USB Power Delivery功率传输协议，USB功率2013年的新标准名为USBPD，USB PD 协议基于USB3.1，是USB3.1 中即type-c端口后提出的功率传输概念。可以为这种技术带来更大的灵活性，将充电能力扩大为10倍，最高可达100瓦。

随着智能手机产业的不断发展，市场对电池技术更高的要求推动技术在电池容量提升、充电效率提升及移动充电三个主要方面进行探索。

当前，电子设备采用锂电池为主流沿用的电池技术，其本身因重量轻、体积小、能量密度高的特点，取代镍电池，成为最佳的电池元素。“锂离子”在正、负极中嵌入与脱出，最终实现电能与化学能的相互转化。

公开资料显示，从80年代锂电池技术首次提出，到现在，30年间正负极的材料技术并无革命性进展，科学家没有找到更优化的正负极材料。《电源杂志》主编斯蒂法诺·帕瑟里尼指出：“现在传统锂电池技术已接近瓶颈，进一步优化的空间有限。”

大电压快充方案在大幅度提升电池充电效率的同时，不可避免地加剧了电池发热情况，并对电池寿命带来影响。快充次数越多，电池的损耗就越大，根据估算，快充完全充放电700次左右，手机的最大电量就会下降到标准电量的80%。

具有 USB Power Delivery功率传输协议 及其可编程电源 (PPS) 功能的 USB Type-C™ 越来越受欢迎，通过最大限度地提高电源适配器的效率并最大限度地减少手机端的充电损耗，从而缩短了充电时间。PPS 允许适配器通过与正在充电的设备进行通信来获得可变的输出电压，从而优化充电条件。

隔离式反激电源拓扑因其低成本和最少的组件而在手机适配器中很受欢迎。图 1 显示了反激系统框图。通常，主输出电压反馈电路包括一个光耦合器和一个并联稳压器，例如 TI 的 LMV431。

图 1：适配器功率级

对于普通的USB PD适配器产品，输出电压范围为3-20V。直接从输出为并联基准供电的一种简单方法。选择 LMV431 低压/宽可调范围 (1.24V/30V) 并联稳压器将有助于保持与 3.0V 较低输出电压的兼容性。移动适配器的常见固定输出为 1A 时 5V，并且只需要两个反馈电阻。但是，要创建 PPS 系统，TPL0102-100 可启用可变输出。

TPL0102 具有两个线性锥度数字电位器 (DPOT)，具有 256 个游标位置和 100kΩ 的端到端电阻。TPL0102-100 具有两个 256 抽头数字电位器、一个与手机微控制器 (MCU) 通信的 I2C 接口和可存储雨刷位置的非易失性存储器。图 2 显示了分压器模式下的 TPL0102-100，它带有一个单位增益运算放大器缓冲器，以创建一个 8 位数模转换器。电路的模拟输出电压由抽头设置决定，通过 I2C 总线编程。单位增益缓冲运算放大器缓冲 TPL0102-100 的高阻抗输出；否则分压器输出端的负载会影响输出电压。对于 PPS，您需要打开 Q1，小信号 N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。重要的是要记住 TPL0102-100 的默认值为 8E 用于雨刷；因此 MCU 需要启动 TPL0102 雨刷器的值，以便在 PPS 开启时，输出电压值仍为 5V。

图 2：在适配器侧实现 PPS

设计过程
如前所述，常见的移动适配器输出为 1A 时的 5V。要开始设计 PPS 系统，您必须将 R1 和 R2 计算为默认的 5V 输出。一旦 R1 和 R2 的值被锁定，您就可以计算 R3 以获得 PPS 系统所需的最小 20mV 步长。

理论上，公式 1 将最小阶跃电压表示为：

然后等式 2 计算 Vout 的输出范围：

VTPL0102 的范围是从 0V 到 VCC。VFB 是选定的并联稳压器的参考电压。对于 LMV431，VFB 为 1.24V。VCC 是运算放大器的电源，Vout 是适配器输出电压。

USB PD PPS 正变得越来越流行。以最少的元件和低成本将传统适配器配置为 PPS 功能是一个挑战，但通过一些额外的电路，移动适配器可以轻松实现最新 USB PD 技术中的 PPS 功能。