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USB 供电：使用瑞萨解决方案加快开发速度

了解这项改变生活的技术： 5/5

USB PD 规范标志着USB充电安全性和便利性方面的重要进步。但是，愿意实施这些新功能的制造商必须首先仔细阅读这些规范，然后进行将这些新功能融入其产品所需的额外工作。要做到这一点并不容易。瑞萨电子提供的解决方案可大大简化构建符合USB PD标准的产品所需的工作。

提供USB-C电源解决方案

我们之前的四节课介绍了USB PD和 USB Type-C® 技术。

尽管 USB Type-C 和 USB PD 设计安全、方便且高度灵活，但它也是复杂且难以实现。例如，即使只使用仅供电或仅受电功能，用户也应充分了解USB Type-C 和USB PD 规范，以便正确利用其高度灵活性。因此，它大大增加了采用的障碍。此外，为了确保安全性，必须持续监控过电压、过电流和过热情况，如果出现异常情况，必须按照这些规范进行处理。

为了解决这个问题并轻松开发具有USB PD 功能的产品，瑞萨电子提供了一种称为USB-C电源解决方案的整解决方案，该解决方案由USB PD控制器芯片、电源芯片、电池管理芯片等组成。在这里，USB PD控制器芯片 负责USB PD 的通信和控制。电源芯片具有高效率，它们可以输入和输出由电源规则（5V、9V、15V、20V、20V、28V、36V、48V 和 AVS）定义的电压。电池管理芯片称为计量芯片，它管理电池状态并确保锂离子电池的安全。只需使用此USB-C 充电解决方案，用户即可轻松设计实现USB PD 的产品。此外，我们正在努力通过提供新的固件解决方案来减少整体设计资源以及产品硬件设计资源。

产品规划和 开发步骤

在这里，我们从开发步骤的角度解释了瑞萨电子的 USB-C电源解决方案。

当产品实现 USB-C电源时，必须在产品规划阶段定义供电功能。电源的特征是指产品是供电端（来源：AC 适配器、DC/DC 模块等）、受电端设备（接收器：各种手持设备等），还是同时支持供电和受电功能（DRP：HUB、移动电源等）。同时，将确定相应的电压和电流值（源的供电能力、受电端的功耗要求）。

瑞萨电子为供电端、受电端以及同时支持供电和受电功能，提供USB-C电源整体解决方案。客户现在可以通过使用与其系统相匹配的瑞萨电子USB-C电源解决方案轻松采用USB-C电源功能。

开发步骤

如何使用瑞萨电子的 USB-C 充电整体解决方案，开发具有 USB-C 充电端口的产品如下。

第 1 步：获取与产品系统符合的瑞萨电子USB-C电源整体解决方案。
电路板设计所需的设计套件（使用说明书、电路图、BOM 表、布局信息）可从 Renesas.com 下载。

第 2 步：检查 USB-C电源整体解决方案是否可以按预期运行。
在评估板上的USB-PD控制器预装了USB-PD 操作的基本固件，用于USB-C电源整体解决方案。因此，许多USB-PD功能只需在评估板上设置开关即可实现。仅通过开关设置无法实现的USB-PD功能需要更新固件，但我们提供“VIDWriter”作为软件解决方案，可以轻松针对该固件进行开发。

第 3 步：使用设计套件作为参考，开发一个包含USB PD的实际电路板。
参考设计套件中包含的电路图、BOM 列表和PCB信息，将USB PD功能实现到实际产品中。

第 4 步：将预先评估的固件写入实际板上的USB-PD控制器，并检查它是否按预期工作。
将步骤2中评估的固件写入步骤3的实际的开发板上的USB-PD控制器。确认它按预期工作后，产品开发就完成了。

设计套件中包含的电路图和PCB信息由Renesas开发，并已确认评估板的操作。因此，用户可以通过使用设计套件中的电路图来节省大量工时，而不是一边看IC手册一边绘制电路。

瑞萨电子的USB-C电源解决方案

瑞萨电子提供以下USB-C电源整体解决方案。我们还有其他整体解决方案正在开发中，因此请随时与我们联系。

表 1：100W USB-C电源解决方案
电源模式名字引用名称描述
仅受电
Sink Only		电源转换器RTK-251-SinkAdapter这是一款经过 USB 认证的参考设计，可将 USB Type-C 供电设备提供的 USB-C 输入电源转换为直流输出。
仅供电
Source Only		直流输入模组RTK-251-BuckBoostConverter2这是一个针对双供电端口（Source）的USB认证参考设计。
双电源角色
DRP		充电宝RTK-251-PowerBank3这是通过 USB 认证的单端口充电宝参考设计。 它可以串联 2 至 4 节电池（默认为 3 节电池），该板上具有电池监控功能。
双电源角色
DRP		输入/输出功率转换器RTK-251-DRPEVB这是一个单端口参考设计，可将 USB Type-C 输入电源转换为直流输出，或将直流输入转换为 USB Type-C 供电（Source）输出。
仅受电或双电源角色
Sink Only or DRP		电池系统RTK-251-SinkCharger-ISL9238C这是一个单端口参考设计，用于实现具有2节到4节电池串联的电池系统。此参考设计支持仅受电模式 以及与带BMS的锂离子电池组合移动电源模式。
仅受电或双电源角色
Sink Only or DRP		电池系统RTK-251-SinkCharger-RAA489118这是一个单端口参考设计，用于实现具有2节到7节电池串联的电池系统。此参考设计支持仅受电模式 以及与带BMS的锂离子电池组合移动电源模式。
表 2：140W~240W USB-C 充电解决方案
电源模式名字引用名称描述
仅受电或双电源角色
Sink Only or DRP		140W 电池系统RTK-G015-EPRSinkCharger-140W这是一个单端口参考设计，用于实现具有2节到7节电池串联的电池系统。此参考设计支持仅受电模式 以及与带BMS的锂离子电池组合移动电源模式。

指令工具 「VID Writer」

指令工具“VID Writer”作为瑞萨电子 USB-C 充电解决方案的一部分提供。它介绍了如何为最终产品生成固件的同时在 USB-C 电源整体解决方案的评估板上设置开关。

USB-C Charging ソリューションのInstruction Tool 「VIDWriter」

图 1：USB-C 电源解决方案使用工具“VIDWriter”

当客户在图1的‘B‘中选择基本功能时，’D‘中将显示可实现预期功能的电路板图片，’E‘中将显示电路板的电压和电流值等可配置项目。在此示例中，’D‘显示电池系统参考。在这里，如果客户在 ’E‘ 中设置串联的电池数量和最大电流，则’D‘中显示的电路板上应设置的开关值将相应变化。客户可以通过在实际板上设置目标开关来准备确认预期的操作，如屏幕所示。也可以使用更改的基本电池参数（Full、Empty 值）生成固件，但是，当客户使用此工具时，必须更新预装的基本固件。

如所见，该工具允许客户通过简单地设置必要的参数轻松实现 USB-PD 功能。

Instruction Tool 「VIDWriter」による回路図上の抵抗値表示

图 2：使用说明工具“VIDWriter” 在电路图上显示电阻值

虽然瑞萨电子的 USB-C 充电解决方案很容易采用，设计套件中包含设计信息和VIDWriter，但它们的灵活性却有意的被限制。例如，我们可以支持将LED控制功能分配给PD控制器R9A02G011未使用的引脚等请求。请随时与我们联系。

单元列表

  1. USB 供电 （1） 提高 USB 充电的便利性
  2. USB 供电 （2） 技术 1 - 便利性和安全性 
  3. USB 供电 （3） 技术 2 - USB Type-C 和角色交换
  4. USB 供电 （4） USB PD 安全实施
  5. USB 供电 （5） 使用瑞萨解决方案加快开发速度

术语和缩写

USB-C 充电使用独特的术语。这里列出结最常用的术语和缩写。

  • AVS: Adjustable Voltage Supply (可调电压电源). 允许受电端以100mV微调请求任何9V或以上更高输出的电压规范。功能类似PPS。
  • Cold Socket: 冷插座，USB插座上的VBUS没有电压。
  • DFP: Downstream Facing Port (下行端口)。主要在PC上的端口，是USB数据通信的发起方。
  • DRD: Dual-Role Data (双数据角色)。端口可以是DFP 或UFP。
  • DRP: Dual-Role Power (双电源角色)。端口可以是供电端 或 受电端。
  • EPR: 电力传输的扩展功率范围 (Extended Power Range)。实现直流电超过20V/5A的模式。
  • PDC: Power Delivery Controller (PD控制器)。 一般指TCPM和TCPC功能结合在一个芯片，负责USB-PD通信和控制。
  • PDP: PD功率. 供电的输出功率。用于PD上的电源规则。
  • Power Rule: 运行的设备的电力设计规则，确保“供电功率(瓦值)≥受电功率值(瓦值)” 。
  • PPS: Program Power Supply (可编程电源)。允许受电端以20mV一档，对供电端请求任何输出电压，并以50mA一档请求输出电流的规范。
  • Sink: 受电端，从Type-C连接器上获取电源的设备，例如手持设备。
  • Source: 供电端，提供电源的设备，例如AC适配器。
  • SPR:  电力传输的标准功率范围 (Standard Power Range)。实现直流电在20V 5A的范围以内。
  • TCPCI/TCPC: USB Type-C Port Controller Interface (端口控制器接口)/ USB Type-C Port Controller (端口控制器). 仅定义USB-PD通信（TCPC）所需的低层硬件，TCPCI是该设备的通信规范。结合TCPM实现PDC功能。
  • TCPM: USB Type-C Port Manager (端口管理)，如TCPCI所述。 控制TCPC的设备或系统。
  • Type-C: USB 协会定义的连接器。为实现支持正反插拔而设计。
  • UFP: Upstream Facing Port (上行端口)。主要用在外围设备上的端口，是USB数据通信的响应方。
  • USB: Universal Serial Bus
  • USB-C: Universal Serial Bus Type-C®
  • USB-IF: Universal Serial Bus Implementers Forum
  • USB-PD: Universal Serial Bus Power Delivery
  • USB PD controller: 与PDC相同