实现带电源传输功能的USB Type-C型直通设备时的关键工程注意事项

Key engineering precautions for realizing USB type-C straight through equipment with power transmission function|技术应用|Technology application|Technology|

2021-12-29 13:35:14 1

USB电源传输(PD)的引入大大提高了USB接口协议的功率能力，具有支持高达100W系统的潜力。随着数据的传输，现在只需要使用一根电缆就可以为电子/电气设备提供更大的功率。因此，使用的空间和安装成本都可以降低。USB PD意味着电源方向不再固定。因此，根据具体情况，设备可以充当接收器（从VBUS获取电源）或电源（通过VBUS提供电源）。设备可以利用PD规范来实现高功率应用程序，对连接的硬件进行枚举。在那之后，他们可以提供必要的力量。充电直通装置就是一个例子。

设计目标

有许多潜在的方法可以用来设计充电直通装置。其原理是充电器的电源通过端口2传输到端口1，为连接的硬件（如笔记本电脑）充电。然而，这可以通过多种不同的方式实现，并且每种方式都有其特定的优缺点。

获得vSafe5V

在本节中，我们将介绍两种可用于vSafe5V实现的不同设计方法。在一种设计中，vSafe5V也从端口2通过，而在另一种设计中，vSafe5V是内部生成的。

图1：通过端口2描述vSafe5V充电直通实现的示意图

图1中描述了从端口2通过的vSafe5V。当连接的硬件请求更高的电源配置文件时，端口2将协商相同的配置文件。一旦端口2完成协商过程，端口1将通知笔记本电脑电源已就绪。

这种方法的主要优点是保持了设计的简单性，不需要使用内部5V发生器。然而，这条路线也有一些缺点。由于vSafe5V是直通的，因此电压电平和电流容量将直接取决于端口2电源。如果输入电压接近PD规格的下限（4.75V至5.5V），则vSafe5V可能会低于端口1侧的规格。这是由于通过电路的电压降引起的。需要注意的另一个缺点是，高电压协商过程必须在端口2侧经历额外的协商步骤。这可能有点耗时，因此有可能超过PD定时规范。

图2：板载vSafe5V直通实现的示意图

另一个可用的选项是在板上生成vSafe5V，如图2所示。在这种情况下，vSafe5V可以在完全遵循usbpd规范的情况下生成。这里显示的示例使用笔记本电脑的接收器功能，并确定连接设备的最佳充电模式。然后通过端口2协商该配置文件，并在角色切换到端口1之前设置电压级别。一旦切换到端口1完成，它可以设置连接硬件请求的更高配置文件，因为充电配置文件已在端口2上可用。

这种设计布局是有利的，因为可以预测vSafe5V的性能。原因是vSafe5V是内部生成的。此外，协商电压不必在端口2上进行重新协商，这将加快所经历的周转时间。不过，这种方法有一个明显的缺点需要得到承认。此类设计不能用于某些主机，即在多个配置文件之间切换的主机。基于FTDI工程团队测试的各种主机和集线器，在不同制造商之间观察到了电源协商的实现差异。

其他考虑因素

除了上面详述的vSafe5V之外，在设计充电直通装置时还需要考虑其他因素。其中包括：

1.VBUS放电-由于充电直通装置最初将起到接收器的作用，因此工程师必须意识到VBUS放电的必要性。当设备作为源断开连接时，它需要恢复到其作为接收器的初始角色。同时，VBUS必须在指定的时间段内跨整个通过路径放电。

2.电压降-必须将整个通过路径上的电压降降至最低。

为了确保局部放电系统中的电源路径以有效的方式运行，使用了由直通局部放电装置控制的负载开关。这种负载开关将包括通过晶体管（通常是带开/关控制块的MOSFET）。由于局部放电的充电电流可高达5A，因此必须记住负载开关中的漏源导通电阻（RdsON）必须较低，这样所涉及的功率损耗不会太大，端口1处的电压保持在局部放电规格范围内。

3.浪涌电流限制-当充电器连接到端口2，充电设备连接到端口1时，如果电容性负载切换到电源轨上，可能会产生浪涌电流。浪涌电流的大小将取决于电压上升的上升时间和负载电容。陡峭的电压斜坡将增加浪涌电流，并导致VBUS中出现瞬时下降。这可能会导致连接的硬件自行复位，这需要避免。除了影响连接硬件的功能外，这种情况还可能损坏或缩短负载开关组件的工作寿命。虽然大的负载电容会降低暂态电压降，但会增加励磁涌流。因此，必须对负载开关进行转换率控制，以延长电压斜坡的上升时间，并优化负载电容以限制VBUS中的涌入电流和下降。在负载开关上进行转换率控制的另一个好处是，作为过流保护措施（由于存在高浪涌电流），可以防止充电器关闭直通装置的电源，因为这显然会导致局部放电充电中断。

4.内部功耗-出于内部功耗的目的，显然需要从充电模式中扣除一定的功率。在确定系统的运行参数时，需要考虑到这一点。

结论

具有直通能力的PD设备的总体设计目标是确保在各种各样的USB PD主机或集线器之间顺利连接和供电。如果工程师确保他们完全了解本文中讨论的所有项目，那么他们将能够实现这一目标。FTDI提供了支持USB电源传输系统开发所需的先进双端口IC技术，如上文所述。该公司的电力传输集成电路允许硬件从一个接收器切换到一个源，而不会出现任何数据流中断。

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