NEST177 August 2025 BQ25756E , TPS25730
過去數年間，搭載電源傳輸 (PD) 標準的 USB-C? 已被廣泛應用於各種電子裝置。這一應用得益於諸多優勢，諸如：統一埠（減少電子垃圾），可逆連接器的便利性以及高功率支援性能。
如圖 1所示，最新版本的 USB PD 3.1 將 USB 的電源性能擴充至最高 240 W ，較上一代 USB PD 3.0 規格的 100 W 的可用功率增加了一兩倍以上。這使得如今可以透過 USB 爲各種新應用提供電源支援。為了減少電子垃圾，歐盟和印度已開始通過立法，要求自 2025 年起個人電子裝置統一採用 USB-C 埠。預計這一趨勢還將擴展至其他應用領域，包括電動工具、智慧型喇叭、真空吸塵器、電動自行車充電器和網路裝置等。這些趨勢與法規正促使製造商尋找簡單且平價的方式，將產品上的電源接頭從桶式插孔轉為 USB-C 連接器。
圖 1 USB 電源標準中最新版本的 USB PD 3.1 將 USB 的電源性能擴充至最高 240 W。 來源：德州儀器在本期用電訣竅中，我們將討論系統電源考量要點，並示範如何快速簡便地實現 USB-C 連接器和電源管理電路——該方案能透過 USB PD 合約協商機制以匹配您設計所需的功率需求。
USB PD 電源傳輸
此外，值得注意的是， USB PD 生態系統中存在三種電源傳輸模式：僅能汲取電源的裝置，僅能供應電源的裝置，以及支援雙向電源傳輸的裝置（雙角色電源）。在本文中，我們將重點探討僅汲極應用。
在使用 USB PD 的接收裝置可以從 USB PD 電源獲取電源之前，被供電裝置與電源之間必須進行部分握手信號和電源協商。這是因為 USB PD 電源匯流排上的電壓可在 5V 至 48V 之間變化，具體視電源的電源性能而定。很明顯的，您不會將 48V 接入僅設計用於 15V 輸入源的汲極裝置。在 USB PD 汲極應用中，需要一種稱為連接埠控制器的專用裝置來執行此電源合約協商，並提供過電流和過電壓等保護功能。過去，若要新增一個配置了適當功能的 USB PD 連接埠控制器，需要深入瞭解 USB 認證並投入大量韌體開發工作。為了簡化電源架構並降低設計複雜度，預編程 USB PD 控制器允許設計人員透過簡易的電阻分壓器設定（如圖 2所示）來配置最大 /最小電壓及電流汲極性能。如此一來，就不再需要外部電子可擦除可編程唯讀記憶體 (EEPROM) ， MCU 或任何類型的韌體開發。
圖 2 預編程 USB PD 控制器的 ADCIN 接腳允許設計人員透過簡易的電阻分壓器設定來配置最大/最小電壓，以及電流汲極性能。來源：德州儀器協商電源合約和匹配系統電源需求
將您的產品轉換為 USB PD 之前，請務必瞭解 USB PD 生態系統的限制條件和要求。在電纜的電源端， 一個 USB PD 電源將為您的系統供電，但用戶可能會連接任何 USB PD 適配器或其他電源設備。您需要考慮需要何種電源合約來爲您的系統提供充足功率。此外，還需考慮如果該適配器供電不足，您的系統將如何運作。
若電壓低於 20V ，可經由 USB-C 線纜的可用電流限制為 3 A ，若電壓達到或超過 20V ，則限制為 5A。此外， USB PD 電源僅需產生滿足在最大允許纜線電流下提供額定功率所需的最低電壓。例如， 一個 45W 的適配器通常提供 15V 的最大輸出電壓，因為 45W 除以 3A 即爲 15V。
如果您的系統設計為在 15V 電源下運作，但需要 50W 功率怎麼辦？在這種情況下，您需要將連接埠控制器配置為接受更高的電壓合約（例如 20V），以確保系統獲得足夠的運行功率，同時還需確保系統設計能夠承受這一略高的輸入電壓。這可能需要您對您的產品進行輕微調整，而不只是添加 USB-C 連接器和埠控制器。此外，通常情況下，即使連接到功率容量不足的 USB PD 電源時，您仍希望產品能正常工作，只是可能會以降低的性能水平運作。
設計範例
設想一款產品，它需要以 27W 為 4S-7S 電池充電，而此前該產品是透過 15V 桶式插孔供電的。此範例中，由於電池電壓可能會隨充電狀態高於或低於 15V 輸入，因此採用了降壓升或壓轉換器。將此設計轉換爲僅支援 USB PD 輸入，僅需一個簡易獨立式 USB PD 控制器（如 TPS25730 ）和降壓升壓電池充電器即可實現。系統架構如圖 3所示。您可以看到，只需要少量組件就能將桶式插孔轉為 USB PD 埠。連接至 ADCIN1 至 ADCIN4 引腳的簡易電阻器無需任何韌體開發即可設定電源配置。在此情況下，即使可用功率降低，產品仍必須透過 5V 電源充電。因此 TPS25730 被配置為 20V 最大電壓與 5V 最小電壓，並將操作電流設為 3A。
圖 3 27W USB PD 僅汲極充電器參考設計原理圖。來源：德州儀器輸入電壓動態電源管理
除了支援 USB PD 電源輸入外，此設計也應支援傳統 USB 輸入電源，如 5V 和 2A。為避免輸入功率受限時輸入電壓崩潰， BQ25756E 內置了輸入電壓動態電源管理功能。當輸入電壓降至參數 Vin_dpm 設定的值時，該功能將自動降低充電電流。Vin_dpm 的設定值應略低於輸入電壓減去纜線和電源路徑上的壓降，以便在不使輸入源過載或在輸入匯流排上造成不穩定的情況下，能最大化電池充電電流。
如圖 4所示爲使用 1 公尺 USB 纜線（電阻爲 0.25Ω ）從 5V 、2A 電源充電的實驗結果。當您將 Vin_dpm 設定為 4.75V 時，可以觀察到輸入充電電流受到限制且不穩定（如左側圖 4所示意）。正確設定後，將 Vin_dpm 設為 4.35V 以補償電阻壓降後，輸入電壓保持穩定，充電電流提升 50% ，這將大幅縮短充電時間。
圖 4 從 5V ， 2A 電源透過 1 公尺 USB 纜線充電時，輸入動態電源管理。來源：德州儀器實現 USB PD
透過簡化的 USB PD 控制器和電池充電器架構，您無須深入瞭解 USB PD 協議即刻輕鬆使用。您不僅可省去額外的 MCU 和 EEPROM（且無需韌體開發），還能僅透過簡單的電阻分壓器來配置電壓和電流汲極性能，快速將桶式插孔轉換為 USB-C 輸入。如需查看此處重點介紹的範例設計的完整詳細資訊，請參閱《適用於 4 至 7 節電池的 27W USB PD 純汲極充電器參考設計》。