原標題：IP2726：用于 USBC 端口的快充協(xié)議 TypeC PD2.0/PD3.0/PPS

IP2726：USB-C 端口快充協(xié)議控制器——兼顧 PD2.0/PD3.0/PPS 的深度解析與元器件選型

在當今移動設備高速發(fā)展的時代，快速充電技術已成為用戶體驗的核心要素之一。隨著 USB Type-C 接口的普及，其集成的電力傳輸（Power Delivery, PD）協(xié)議以及可編程電源（Programmable Power Supply, PPS）功能，共同構(gòu)建了高效、靈活的充電生態(tài)系統(tǒng)。在眾多快充協(xié)議控制器中，IP2726 以其對 Type-C PD2.0/PD3.0/PPS 的全面支持而備受青睞，廣泛應用于充電器、移動電源、車充等產(chǎn)品中。本文將深入探討 IP2726 的核心功能、工作原理，并結(jié)合實際應用，詳細闡述其周邊關鍵元器件的選型與作用，旨在為工程師提供全面而深入的設計參考。

IP2726 的核心功能與優(yōu)勢

IP2726 是一款高度集成的 USB Type-C PD 協(xié)議控制器，專為實現(xiàn) USB-C 端口的快速充電功能而設計。它能夠自動檢測連接設備，并根據(jù)設備需求和協(xié)議協(xié)商結(jié)果，提供最優(yōu)化的充電功率。其主要功能和優(yōu)勢包括：

• 全面的協(xié)議支持： IP2726 不僅支持 USB PD2.0 和 PD3.0，還兼容 PPS 協(xié)議。PD2.0 和 PD3.0 提供固定電壓檔位（如 5V、9V、12V、15V、20V），而 PPS 協(xié)議則允許在設定的電壓和電流范圍內(nèi)進行更精細的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)步進電壓調(diào)節(jié)，極大地提高了充電效率，并減少了熱量損耗，特別適用于對充電溫度敏感的設備。此外，IP2726 通常還會集成對其他主流快充協(xié)議的支持，如 QC（Qualcomm Quick Charge）、AFC（Adaptive Fast Charging）、FCP（Fast Charge Protocol）、SCP（SuperCharge Protocol）等，使其具有更廣泛的兼容性。

• 高集成度與簡化設計： IP2726 內(nèi)部集成了 USB Type-C 接口邏輯、PD 通信控制器、電壓和電流檢測電路、以及必要的電源管理單元。這種高集成度大大簡化了外圍電路設計，減少了 BOM（Bill of Materials）成本和 PCB 空間，對于小型化和成本敏感的產(chǎn)品設計尤為重要。它通常只需要少量外部元器件即可構(gòu)成一個完整的快充解決方案，加速了產(chǎn)品上市時間。

• 強大的保護功能： 作為電源管理芯片，IP2726 內(nèi)置了多重保護機制，確保充電過程的安全可靠。這些保護功能通常包括：

• 過壓保護（OVP）： 防止輸出電壓超過預設安全閾值，保護連接設備免受高壓損壞。

• 欠壓保護（UVP）： 當輸出電壓過低時及時關斷輸出，避免設備異常工作。

• 過流保護（OCP）： 限制輸出電流不超過最大額定值，防止過載和短路。

• 短路保護（SCP）： 在輸出端發(fā)生短路時迅速切斷電源，保護充電器和設備。

• 過溫保護（OTP）： 監(jiān)測芯片內(nèi)部或外部關鍵點的溫度，當溫度過高時降低輸出功率或關斷，防止熱損壞。

• DP/DM 短路保護： 保護 USB 數(shù)據(jù)線上的 DP/DM 引腳免受短路損壞，這在 Type-C 接口中尤其重要，因為 CC 線通常承載數(shù)據(jù)和電力協(xié)商。

• 靈活的配置與應用： IP2726 通常支持多種配置方式，例如通過外部電阻分壓網(wǎng)絡設定固定電壓檔位，或者通過 I2C 接口與外部 MCU（微控制器）通信，實現(xiàn)更復雜的充電策略和固件升級。這種靈活性使得它能夠適應不同產(chǎn)品的需求，從簡單的單端口充電器到復雜的電源管理系統(tǒng)。

• 高效能管理： 芯片內(nèi)部的智能算法能夠優(yōu)化充電過程，例如在電池接近充滿時自動進入涓流充電模式，或者在空載時進入低功耗模式，從而提高整體能效，符合當前綠色環(huán)保的設計理念。

元器件選型與作用深度解析

要構(gòu)建一個穩(wěn)定、高效的基于 IP2726 的 USB-C 快充方案，除了核心的 IP2726 芯片外，其周邊的元器件選擇同樣至關重要。以下將詳細介紹各個關鍵元器件的作用以及優(yōu)選型號：

1. 主電源管理 IC (PMIC) / DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

作用： IP2726 本身是協(xié)議控制器，它負責協(xié)商電壓和電流，但實際的電壓轉(zhuǎn)換和電流輸出則由主電源管理 IC 或 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器來完成。這是一個核心部件，直接影響充電效率、溫升和輸出穩(wěn)定性。它將輸入的高電壓（通常是適配器的固定輸出電壓，如 20V）高效地轉(zhuǎn)換為 IP2726 協(xié)商出的目標電壓，并提供所需的電流。

選擇考量：

• 拓撲結(jié)構(gòu)： 對于降壓應用，同步降壓轉(zhuǎn)換器是首選。相比非同步降壓，同步降壓通過將續(xù)流二極管替換為低導通電阻的 MOSFET，顯著降低了損耗，從而提高了效率，尤其是在大電流輸出時。

• 開關頻率： 較高的開關頻率允許使用更小的電感和電容，從而減小整體解決方案的尺寸。但過高的開關頻率會增加開關損耗，因此需要平衡。通常在 300kHz 到 1MHz 之間是比較理想的范圍。

• 最大輸出電流： 確保所選 PMIC 能夠提供應用所需的最大電流，例如，對于支持 100W PD 的方案，需要輸出 20V/5A，那么 PMIC 的電流能力至少要達到 5A，并留有裕量。

• 效率： 高效率是降低溫升和提高能源利用率的關鍵指標。優(yōu)選在目標負載范圍內(nèi)效率曲線平坦且峰值效率高的芯片。

• 保護功能： 同樣需要具備 OVP、UVP、OCP、SCP、OTP 等保護功能，作為 IP2726 保護機制的補充和聯(lián)動。

• 封裝： 常見的封裝有 QFN、SOP 等，QFN 封裝散熱性能通常更好，適用于高功率應用。

優(yōu)選元器件型號示例：

• MPS (Monolithic Power Systems) MPQ42028/MPQ42029 (或類似型號): MPS 的電源管理芯片以高效率和可靠性著稱。MPQ42028/MPQ42029 等是同步降壓轉(zhuǎn)換器，通常集成上下橋臂 MOSFET，支持寬輸入電壓范圍和高輸出電流，并具備完善的保護功能。它們在筆記本電腦適配器、車載充電器等領域有廣泛應用。

• TI (Texas Instruments) TPS54560B/TPS54561 (或類似型號): TI 的降壓轉(zhuǎn)換器也是行業(yè)的佼佼者，提供各種電流能力和封裝選項。它們通常具有高開關頻率，允許使用較小的外部元件，且效率表現(xiàn)優(yōu)秀。

• Richtek (立锜科技) RT7202B/RT7207F (或類似型號): 立锜科技的降壓轉(zhuǎn)換器在消費電子領域有廣泛應用，提供高集成度和成本效益，且性能穩(wěn)定可靠。

• Infineon (英飛凌) 或 ON Semiconductor (安森美) 的同步降壓控制器搭配外部 DrMOS： 對于更高功率的應用，可以考慮使用獨立的降壓控制器（如 Infineon 的 XDPL8210/XDPL8220 系列用于 PFC 和次級側(cè)控制）搭配外部的 DrMOS（Driver-MOSFET 集成方案），這種方案能提供更高的電流能力和更好的散熱性能，但設計復雜度也會相應增加。

2. 電感器 (Inductor)

作用： 電感器是 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器電路中的核心儲能元件，用于平滑開關電源的輸出電流，并抑制紋波。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，電感器與開關管配合，將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為輸出的直流電壓。

選擇考量：

• 感值 (Inductance): 感值大小直接影響輸出紋波和瞬態(tài)響應。感值過小會導致紋波過大，效率降低；感值過大會導致瞬態(tài)響應變慢，尺寸和成本增加。通常根據(jù) PMIC 的推薦值和開關頻率來計算。

• 額定電流 (Rated Current): 確保電感器的飽和電流和 RMS 電流（有效值電流）都高于電路的最大峰值電流和最大持續(xù)工作電流，以避免飽和和過熱。

• 直流電阻 (DCR): DCR 越小，電感器自身的損耗越小，效率越高，溫升越低。

• 尺寸與封裝： 配合 PCB 空間和散熱要求選擇合適的尺寸和表面貼裝封裝（SMD）。

• 磁屏蔽： 優(yōu)選具有磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電感器，可以減少電磁干擾（EMI），避免對周邊電路造成影響。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Bourns (伯恩斯) SRR/SRN 系列或 IHLP 系列： Bourns 的功率電感器以其低 DCR、高飽和電流和出色的可靠性而聞名，適用于各種功率應用。

• Coilcraft (科達) XAL/XFL 系列： Coilcraft 的電感器提供多種封裝和感值選擇，且性能穩(wěn)定，具有良好的散熱能力。

• TDK (東電化) SPM 系列或 EPCOS 系列： TDK 的功率電感器也具有高效率和低損耗的特點，廣泛應用于電源管理模塊。

3. 輸入/輸出濾波電容 (Capacitors)

作用：

• 輸入電容： 主要用于濾除輸入端的紋波和噪聲，提供穩(wěn)定的直流電壓給 PMIC，同時作為 PMIC 開關動作時的瞬時儲能，抑制輸入電壓跌落。

• 輸出電容： 主要用于平滑 PMIC 輸出電壓的紋波，提供穩(wěn)定的直流輸出電壓，并改善負載瞬態(tài)響應，補償負載突變時的電流需求。

選擇考量：

• 類型： MLCC (多層陶瓷電容器) 由于其低 ESR (等效串聯(lián)電阻) 和小尺寸，通常用作高頻濾波和瞬態(tài)響應的優(yōu)化，但容量有限。**固態(tài)電容（聚合物電容）**具有比電解電容更低的 ESR 和更好的高頻特性，且壽命長，穩(wěn)定性高，適用于輸出濾波。電解電容（特別是低 ESR 電解電容）在需要大容量濾波時仍有應用，但受限于尺寸和壽命。通常會結(jié)合使用不同類型的電容以達到最佳濾波效果。

• 容值： 根據(jù) PMIC 的推薦值、開關頻率和允許的紋波大小來計算。輸入電容應足以抑制輸入紋波，輸出電容應足以滿足負載瞬態(tài)電流需求。

• 額定電壓： 電容的額定電壓應至少是電路最高工作電壓的 1.5 倍以上，留有足夠的裕量，確?？煽啃?。

• ESR/ESL (等效串聯(lián)電感)： ESR 和 ESL 越低，電容的濾波效果越好，損耗越小。

• 溫度特性： 確保電容在工作溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。

優(yōu)選元器件型號示例：

• 村田 (Murata) / 三星電機 (Samsung Electro-Mechanics) / 華新科 (Walsin Technology) 的 MLCC： 這些品牌提供高品質(zhì)、低 ESR 的 MLCC，覆蓋廣泛的容值和電壓范圍，適用于輸入/輸出高頻濾波。

• Nichicon (日本化工) / Rubycon (紅寶石) / NCC (日本電容) 的導電聚合物固態(tài)電容： 這些品牌的固態(tài)電容具有低 ESR、長壽命和寬溫度范圍的特點，非常適合作為輸出濾波電容。

• Panasonic (松下) / Samyoung (三榮) 的低 ESR 電解電容： 對于一些成本敏感或需要更大容量的輸入濾波，可以選擇低 ESR 的電解電容。

4. VBUS 開關 / MOSFET

作用： 在 USB PD 應用中，VBUS（電源總線）的電壓是可變的。VBUS 開關用于控制 PD 協(xié)議協(xié)商成功后，PMIC 的輸出電壓能否送到 USB-C 端口。它通常是一個高壓、低導通電阻的 P 溝道或 N 溝道 MOSFET，由 IP2726 的控制信號驅(qū)動。在多端口充電器中，也可能使用 VBUS 開關來選擇哪個端口輸出電壓。

選擇考量：

• 耐壓值 (VDS): 確保 MOSFET 的耐壓值高于 PD 協(xié)議中允許的最高電壓（例如，20V PD 需要 30V 或更高的耐壓值，留有裕量）。

• 導通電阻 (RDS(on)): 導通電阻越小，開關損耗越低，發(fā)熱量越小，效率越高。這是選擇 VBUS 開關最重要的參數(shù)之一。

• 最大電流 (ID): 確保 MOSFET 能夠承受最大輸出電流。

• 封裝： 對于大電流應用，需要選擇散熱性能好的封裝，如 DFN、TO-252 等。

• 柵極電荷 (Qg): Qg 越小，驅(qū)動所需的電流越小，開關速度越快。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Infineon (英飛凌) / ON Semiconductor (安森美) / Vishay (威世) / Diodes Inc. (晶圓) 的低 RDS(on) MOSFET： 這些公司提供各種高壓、低導通電阻的 MOSFET，適用于 USB PD 應用。例如，P 溝道 MOSFET 可選 Si7114DN (Vishay) 或 AO4407A (Alpha & Omega)，N 溝道 MOSFET 可選 SI4838BDY (Vishay) 或 AO4807A (Alpha & Omega)。具體選擇 P 或 N 溝道取決于電路設計和驅(qū)動方式。對于 100W PD 應用，需要考慮更高耐壓和更大電流能力的型號。

5. 電流檢測電阻 (Current Sense Resistor)

作用： 電流檢測電阻通常與 PMIC 或 IP2726 內(nèi)部的電流檢測電路配合使用，用于精確測量輸出電流。這對于實現(xiàn) OCP（過流保護）、CC/CV（恒流/恒壓）充電模式以及 PPS 精細電流調(diào)節(jié)至關重要。

選擇考量：

• 阻值 (Resistance): 阻值越小，損耗越小，但電壓信號也越弱，需要高增益放大器。通常在毫歐姆級別（如 1mΩ 到 10mΩ）。

• 精度 (Tolerance): 高精度電阻（如 1% 或 0.5%）有助于提高電流檢測的準確性。

• 功率額定值 (Power Rating): 確保電阻的功率額定值能夠承受最大電流通過時產(chǎn)生的熱量 (P=I2×R)。

• 溫度系數(shù) (TCR): 低 TCR 確保電阻值在不同溫度下保持穩(wěn)定，提高測量精度。

• 封裝： 根據(jù)功率和 PCB 空間選擇合適的封裝，如 0805、1206、2512 等。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Bourns (伯恩斯) PWR220T-30 系列 / PWR4412-2M00F (或類似型號): Bourns 的功率檢測電阻提供低阻值、高精度和高功率額定值。

• Susumu (數(shù)進) PRG 系列 / KRL 系列： Susumu 的電流檢測電阻以其出色的精度和穩(wěn)定性而聞名。

• Vishay (威世) WSL 系列 / WSLP 系列： Vishay 的功率電阻在電流檢測應用中表現(xiàn)優(yōu)異，具有低 TCR 和寬功率范圍。

6. ESD 保護器件 (ESD Protection Devices)

作用： USB-C 端口暴露在外部環(huán)境中，容易受到靜電放電（ESD）的沖擊。ESD 保護器件（如 TVS 二極管陣列）用于在 ESD 事件發(fā)生時，將過高的瞬態(tài)電壓鉗位到安全水平，從而保護 IP2726 及其他敏感芯片免受損壞。

選擇考量：

• 鉗位電壓 (Clamping Voltage): 在 ESD 脈沖下，TVS 器件的鉗位電壓應低于被保護芯片的最大耐受電壓。

• 容值 (Capacitance): 對于高速數(shù)據(jù)線（如 USB 3.0/3.1/4.0 的 TX/RX 對），ESD 器件的容值應盡可能低，以避免信號失真。對于 CC/VBUS 線，容值要求相對寬松。

• 反向截止電壓 (VRWM): 確保 TVS 器件在正常工作電壓下不導通。

• 功率能力 (Power Rating): 能夠承受 ESD 瞬態(tài)脈沖的能量。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Nexperia (安世半導體) PESD 系列 / PESD5V0U1BL (適用于數(shù)據(jù)線) 或 PUSB2UTX (適用于 Type-C CC/VBUS): Nexperia 提供多種適用于 USB 接口的 ESD 保護器件，具有低鉗位電壓和低容值。

• Infineon (英飛凌) ESD 系列 / ESD24V14L-02LS (適用于 VBUS) 或 ESD24V14L-02LS (適用于 CC 線): 英飛凌的 ESD 保護器件也具有優(yōu)異的性能和可靠性。

• Littelfuse (力特) SP/SR 系列： 力特的 TVS 二極管和陣列在靜電保護領域有廣泛應用，提供多種選擇。

7. 熱敏電阻 (Thermistor)

作用： 熱敏電阻用于監(jiān)測充電器內(nèi)部或電池的溫度。IP2726 可以通過讀取熱敏電阻的阻值變化來感知溫度，進而實現(xiàn)過溫保護（OTP）或根據(jù)溫度調(diào)整充電策略，防止設備過熱。

選擇考量：

• 類型： 通常使用 NTC（負溫度系數(shù)）熱敏電阻，即溫度升高時電阻值減小。

• B 值： B 值反映了電阻值隨溫度變化的靈敏度，應與 IP2726 的內(nèi)部電路或外部 MCU 的算法匹配。

• 阻值 (at 25°C): 選擇在 25°C 下具有合適阻值的熱敏電阻，以便于信號采集和轉(zhuǎn)換。

• 封裝： 常見的有貼片式（SMD）和引線式。

優(yōu)選元器件型號示例：

• TDK (東電化) NTC_SS 系列 / NTC_FT 系列： TDK 提供多種規(guī)格的 NTC 熱敏電阻，適用于溫度檢測。

• Murata (村田) NCP 系列： 村田的 NTC 熱敏電阻也具有良好的性能和可靠性。

8. 指示燈 (LED)

作用： LED 指示燈通常用于顯示充電狀態(tài)（如充電中、充滿、快充模式等），為用戶提供直觀的反饋。

選擇考量：

• 顏色與亮度： 根據(jù)產(chǎn)品設計選擇合適的顏色和亮度。

• 正向電壓與電流： 確保驅(qū)動電路能夠提供 LED 所需的正向電壓和電流，通常會串聯(lián)一個限流電阻。

• 封裝： 常見的有 0603、0805 等貼片封裝。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Kingbright (光寶) / Lite-On (億光) / Everlight (億光) 的貼片 LED： 這些品牌提供各種顏色和亮度的貼片 LED，可靠性高。

9. 復位芯片 (Reset IC)

作用： 復位芯片用于在系統(tǒng)上電、掉電或電壓異常時，為 IP2726 或相關 MCU 提供可靠的復位信號，確保芯片正常啟動和工作，防止程序跑飛或狀態(tài)異常。

選擇考量：

• 復位閾值電壓： 選擇與 IP2726 工作電壓兼容的復位閾值，確保在電源電壓低于此閾值時產(chǎn)生復位。

• 輸出類型： 推挽輸出或開漏輸出。

• 延遲時間： 部分復位芯片具有可編程的復位延遲時間，確保系統(tǒng)穩(wěn)定后再解除復位。

優(yōu)選元器件型號示例：

• Maxim Integrated (美信) MAX809/MAX810 系列： 美信的復位芯片是行業(yè)標準，提供多種電壓閾值和封裝。

• TI (Texas Instruments) TPS3809 系列： TI 的復位芯片也具有高精度和低功耗的特點。

10. EEPROM / Flash (如果需要外部存儲配置)

作用： 雖然 IP2726 內(nèi)部通常會集成 OTP（一次性可編程）存儲器用于固件和配置，但某些高級應用可能需要外部 EEPROM 或 Flash 存儲更復雜的配置數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息或支持固件升級。

選擇考量：

• 接口： 通常采用 I2C 或 SPI 接口與 IP2726 或外部 MCU 通信。

• 容量： 根據(jù)存儲數(shù)據(jù)量選擇合適的容量。

• 擦寫次數(shù)： 對于需要頻繁更新的配置數(shù)據(jù)，需要選擇擦寫壽命長的 EEPROM。

優(yōu)選元器件型號示例：

• STMicroelectronics (意法半導體) M24Cxx 系列 (I2C EEPROM)： 意法半導體的 EEPROM 廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)。

• Winbond (華邦電子) W25Qxx 系列 (SPI Flash)： 華邦電子的 SPI Flash 具有高速讀寫和大容量的特點。

總結(jié)與展望

IP2726 作為一款功能強大的 USB-C 快充協(xié)議控制器，為實現(xiàn)高效、安全的快充解決方案提供了堅實的基礎。通過對其核心功能和優(yōu)勢的深入理解，以及對其周邊關鍵元器件的細致選型和合理配置，工程師能夠設計出性能卓越、穩(wěn)定可靠的快充產(chǎn)品。

在實際設計中，除了上述元器件，還需要關注 PCB 布局布線，特別是高頻、大電流路徑的優(yōu)化，以最小化 EMI 和提高散熱效率。同時，嚴格的測試和驗證是必不可少的環(huán)節(jié)，包括功能測試、性能測試（效率、溫升）、EMC/EMI 測試、以及各種保護功能的驗證，確保產(chǎn)品符合行業(yè)標準和安全規(guī)范。

隨著快充技術的不斷演進，未來 IP2726 或其后續(xù)型號將可能集成更多高級功能，例如更智能的充電算法、更低的待機功耗、更高的功率密度以及對新協(xié)議的更快支持。理解并掌握這類核心協(xié)議控制器及其周邊元器件的選擇和應用，對于在快速變化的消費電子市場中保持競爭力至關重要。