USB-PD(USB Power Delivery) - Cái nhìn thực tiễn và súc tích về thiết kế 2025

USB Power Delivery (USB-PD) hiện mang đến giải pháp cấp nguồn nhanh hơn, hiệu quả hơn và linh hoạt hơn. Như chúng ta có thể thấy, đây là một bước tiến thú vị, giúp nâng cao đáng kể khả năng của các kết nối USB.

Cơ chế này sử dụng kênh cấu hình USB (Configuration Channel – CC) để cho phép thiết bị yêu cầu một mức điện áp cụ thể. Mặc dù ban đầu có vẻ phức tạp, nhưng thực tế việc triển khai lại khá đơn giản.

Điều khiến việc sử dụng trở nên dễ dàng hiện nay là chúng ta có thể mua các mô-đun USB-PD Trigger/Decoy nhỏ gọn, vốn đảm nhiệm các tác vụ nền phức tạp giúp chúng ta (Hình 1). Bạn có thể thấy mô-đun này có một số jumper để thiết lập điện áp đầu ra DC ở các mức 5 V, 9 V, 12 V, 15 V hoặc 20 V.

Mô-đun này hoạt động như một bộ kích hoạt (trigger) hoặc đánh lừa (decoy) để yêu cầu các cấu hình cấp nguồn cụ thể từ các nguồn điện USB-PD như sạc USB-C, pin sạc dự phòng và bộ chuyển đổi. Nhờ vậy, với mô-đun này, bạn có thể khởi tạo giao thức USB-PD, ví dụ, để sạc máy tính xách tay từ bộ nguồn USB-C hỗ trợ PD.

Lưu ý rằng một USB-PD Trigger, đôi khi còn được gọi là USB-PD Decoy, là một mạch điện nhỏ nhưng thông minh, đảm nhiệm quá trình đàm phán USB-PD và đơn giản xuất ra một mức điện áp DC được xác định trước.

Một số mô-đun USB-PD Trigger/Decoy có thể điều chỉnh được bằng công tắc chọn (selector switch), hoặc chuyển đổi giữa các mức điện áp bằng nút nhấn, trong khi một số khác xuất ra điện áp cố định, hoặc yêu cầu hàn jumper (hoặc hàn điện trở cố định) để chọn điện áp đầu ra. Các điểm kết nối đầu ra trên những mô-đun này thường chỉ là hai pad hàn trần, hoặc trong một số trường hợp là các đầu nối ốc nhỏ (Hình 2).

USB-C-PD-T-D-FV — **Hình 2** Các điểm kết nối đầu ra được hiển thị trên các mô-đun.

Chỉ với vài chục ngìn không đến 100k mỗi chiếc, những mô-đun USB-PD Trigger/Decoy nhỏ gọn và mảnh mai này thực sự hữu ích trong hộp công cụ của bạn — cả cho các dự án cá nhân lẫn khi cần dùng gấp. Theo quan điểm của tôi, đối với hầu hết các ứng dụng, loại mô-đun cấp nguồn có điện áp cố định là lựa chọn tốt hơn, vì nó giúp tránh những sơ suất vô ý có thể làm hỏng thiết bị nhận điện.

Gần đây, tôi đã mua một bộ mô-đun điện áp cố định như vậy. Như bạn có thể thấy, thành phần cốt lõi của các mô-đun một chip này là vi mạch giao thức lớp vật lý IP2721 USB Type-C dành cho giao tiếp đầu vào USB Type-C.

-USB-C-PD-T-D-IP2721-FV — **Hình 3** IP2721 là một vi mạch giao thức USB Type-C PD dành cho cổng đầu vào USB, hỗ trợ các chuẩn giao thức USB Type-C/PD2.0/PD3.0.

Quá trình cắm và rút thiết bị USB Type-C được phát hiện tự động dựa trên các chân CC1/CC2. Vi mạch này tích hợp bộ phân tích giao thức cấp nguồn (power delivery) để lấy thông tin về các mức điện áp khả dụng và yêu cầu mức điện áp phù hợp.

sơ đồ nguyên lý ip2721 — Hình 4 Sơ đồ nguyên lý cho thấy một ví dụ thiết kế sử dụng vi mạch giao thức cấp nguồn USB Type-C PD.

Đáng ngạc nhiên, module mới nhận được — được thiết kế để xuất ra một mức điện áp cố định duy nhất — sử dụng bộ điều khiển IP2721 trong cấu hình tối giản, không có thành phần chuyển tiếp công suất

trick lỏd — Hình 5 Module sử dụng bộ điều khiển IP2721 trong cấu hình tối giản.

Do đó, điện áp đầu ra sẽ bằng với điện áp VBUS, và điều này có thể là 5 V trong quá trình khởi tạo ban đầu, hoặc tiếp tục giữ ở mức này nếu việc thương lượng không thành công. May mắn thay, đối với nhiều ứng dụng, điều này không gây ra quá nhiều vấn đề. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết, để tuân thủ đúng theo tiêu chuẩn cấp nguồn USB Power Delivery, thiết bị cần có một MOSFET công suất đầu cao làm phần tử truyền tải công suất, nhằm ngắt tải cho đến khi đạt được một thỏa thuận cấp nguồn phù hợp.

Trong khuôn khổ bài viết này, tôi đã cần kiểm tra điện áp đầu ra của module mình sử dụng. Vì vậy, bên dưới là một bức ảnh chụp nhanh trong lần kiểm tra đầu tiên của module USB-PD trigger 9 V dùng chip IP2721; đơn thuần là quá trình kiểm tra module với một nguồn cấp tương thích và một đồng hồ vạn năng ở thang đo điện áp 1 chiều.

USB-C-PD-9V-Test — **Hình 6** Đồng hồ đo điện áp một chiều hiển thị điện áp đầu ra của module USB-PD sử dụng chip IP2721

Một số ghi chú cuối cùng về USB Power Delivery (USB-PD)

USB-PD là một giải pháp tiện lợi để thay thế các bộ cấp nguồn trong nhiều dự án và hệ thống điện tử. Mặc dù USB-PD yêu cầu sử dụng các vi điều khiển chuyên dụng để vận hành đúng cách, nhưng hiện nay các module USB-PD Trigger/Decoy chuyên biệt có sẵn trên thị trường có thể dễ dàng cung cấp tính năng USB-PD cho các hệ thống độc lập.

Điều thú vị là các chuẩn USB cũ chỉ cung cấp điện áp 5 V, trong khi USB-PD định nghĩa các mức điện áp như 9 V, 15 V và 20 V, bên cạnh 5 V.

Cho đến gần đây, chuẩn USB-PD chỉ cho phép công suất tối đa 100 W (5 A @ 20 V), được gọi là Standard Power Range (SPR), truyền tải hai chiều. Tuy nhiên, chuẩn USB-PD mới nhất đã nâng mức này lên 240 W (5 A @ 48 V), được gọi là Extended Power Range (EPR), thông qua cáp USB-C. Nhờ đó, nếu thiết bị hỗ trợ các lệnh mở rộng EPR, nó có thể sử dụng các điện áp 28 V, 36 V và 48 V.

Vì USB-PD hiện hỗ trợ cấp nguồn đến 240 W qua một sợi cáp duy nhất, người dùng hoàn toàn có thể cấp nguồn cho nhiều mạch hoặc thiết bị cùng lúc chỉ với một kết nối USB.

Electronic Marking (E-Marked) là yêu cầu bắt buộc đối với cáp USB Type-C nếu dòng VBUS vượt quá 3 A. Một cáp E-Marked (hay EMCA – Electronically Marked Cable Assembly) là loại cáp Type-C có tích hợp chip đánh dấu để cung cấp thông tin đặc tính của cáp cho cổng DFP (Downstream Facing Port). Việc này được thực hiện bằng cách nhúng một chip điều khiển USB-PD vào đầu cắm của một hoặc cả hai đầu cáp.

Programmable Power Supply (PPS) – nguồn cấp điện lập trình – được triển khai từ chuẩn USB PD3.0. Với PPS, thiết bị có thể điều chỉnh dòng điện theo bước 50 mA và điện áp theo bước 20 mV trong khoảng 5 V đến 20 V. PPS cho phép sạc trực tiếp vào pin, bỏ qua mạch sạc bên trong thiết bị được kết nối.

Adjustable Voltage Supply (AVS) – nguồn cấp điện áp điều chỉnh – được giới thiệu từ chuẩn USB PD3.1 và mở rộng qua PD3.2, cho phép hoạt động trong phạm vi SPR dưới 100 W, với điện áp tối thiểu 9 V. Về mặt chức năng, AVS tương tự như PPS, nhưng khác biệt là nó không hỗ trợ giới hạn dòng điện, và điện áp được điều chỉnh theo bước 100 mV trong khoảng từ 9 V đến 48 V.

Lưu ý rằng USB-PD kết hợp với USB-C tận dụng tối đa khả năng cấp nguồn cũng như hỗ trợ đa giao thức của cổng USB-C. Việc triển khai USB-C trên các thiết bị di động dùng pin giúp thiết bị vừa có thể sạc vào, vừa có thể cấp nguồn cho thiết bị khác thông qua cùng một cổng kết nối.

Nhờ vậy, các thiết bị sử dụng bộ sạc pin đơn cell hoặc đa cell hiện có thể kết hợp cùng chip điều khiển USB-C hoặc USB-PD để vừa nhận điện năng, vừa cấp điện từ cổng USB-C. Dưới đây là một mạch ứng dụng dựa trên MP2722 – một IC quản lý pin tích hợp cao, hỗ trợ chuẩn USB Type-C 1.3, hoạt động ở chế độ chuyển mạch 5 A, dành cho pin Li-ion hoặc Li-polymer đơn cell.