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為USB 3.1 Type-C供電裝置選擇降壓轉換器

2017-04-19

作者 Nazzareno (Reno) Rossetti、Mehdy Khotan，Maxim Integrated

本文討論常時開啟型(always-on)降壓轉換器的特性——這是來源元件與接收元件之間交握時的關鍵功能，以應答連接與協商傳輸功率。

新的USB 3.1 Type-C標準可望大幅簡化電子產品的連接。該新標準旨在利用一根Type-C電纜，為功率高達100W的任意兩個裝置之間實現資料和電源傳輸。本文討論常時開啟型(always-on)降壓轉換器的特性——這是來源元件與接收元件之間交握時的關鍵功能，以應答連接與協商傳輸功率。

USB 3.1 Type-C標準

全新的USB 3.1 Type-C標準，可支援電子產品之間的高資料率傳輸與高功率供電。USB 3.1能實現10Gbps的傳輸速率，同時透過標準電纜提供高達3A電流，使用增強電纜時可提供5A電��。匯流排電壓可調節到最高20V (使用標準電纜時：60W@3A；使用增強電纜時：100W@5A)。現在許多筆記型電腦的功率要求都小於100W，所以採用Type-C連接器的新機型能透過USB埠充電，這也是目前小型裝置使用的充電方式。

因應USB 3.1 Type-C標準的複雜度，裝置必須作為供電端(source)或受電端(sink)進行協商，然後才能傳輸電力。因此，Type-C電纜是「智慧」的，附加電路必須知道如何正確地供電和傳輸資料。Type-C電纜兩端的連接器完全相同，才能允許反插插入；每個連接器也可以翻轉，任何一面朝上時都可插入。Type-C USB電纜支援雙向供電，所以同一裝置既可對週邊裝置充電，也可對主機裝置充電。這將有助於消除眾多專用的電源配接器和多種類型的USB電纜，最終減少目前桌面上雜亂的電纜。

USB 3.1 Type-C系統

圖1顯示典型的筆記型電腦電源管理前端，可連接USB Type-C電纜，並由三個鋰離子電池組成的電池組供電(提供7.2V至12.6V電源)。

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圖1：USB 3.1 Type-C電源管理系統

電源管理晶片(PMIC)由電池直接供電，而常時開啟的降壓轉換器經由蕭特基二極體接受電力，並可由電池或USB來源供電。相反地，常時開啟的降壓轉換器可為埠控制器供電，該控制器負責主機系統微處理器(μP)和電源之間的電源交換仲裁。當連接USB時，降壓充電器為電池充電。

為耗盡電池重新充電時，必須採取以下的步驟：
步驟1：電池耗盡
步驟2：連接USB Type-C電纜
步驟3：USB Type-C電纜偵測連接，並提供初始5V電壓
步驟4：常時開啟型轉換器喚醒埠控制器並為其供電
步驟5：埠控制器協商功率要求(例如5A、20V)
步驟6：系統透過USB Type-C電纜接收所需的功率
步驟7：降壓充電器啟動電池充電

常時開啟型轉換器在所有環節都起著重要作用。甚至USB最初提供的輸入電壓相對較低(5V減去蕭特基二極體壓降)時，轉換器也可提供3.3V輸出。正常作業期間，電源具備隨時充電的能力，強制接收端裝置重新協商，所以降壓轉換器必須隨時就緒。因此，所選擇的常時開啟型降壓轉換器應該盡可能地降低功耗。

常時開啟型降壓轉換器

例如，Maxim Integrate的小尺寸、同步降壓轉換器MAX77596。該元件具有整合型開關(圖3的T1和T2)，在3.5V至24V輸入電壓下，提供高達300mA電流，零負載時的靜態電流僅為1.1μA(固定輸出版本)。此外，此元件可在接近壓降下操作，運作工作週期為98%，因此非常適於電池供電應用。

該元件提供固定的3.3V和5V輸出電壓版本，以及可調節輸出版本。可調節輸出版本可讓用戶使用電阻分壓器，在1V至10V之間調節輸出電壓。其頻率固定於1.7MHz，從而可使用較小的外部被動元件以及降低輸出紋波。晶片上功率電晶體開關確保更經濟的元件成本清單。該元件具有強制脈衝寬度調變(PWM)和省略(skip)作業模式可選。