實(shí)現(xiàn)帶輸電功能的USB Type-C直通設(shè)備時(shí)的關(guān)鍵工程注意事項(xiàng)

USB輸電（PD）的推出，通過顯著擴(kuò)展USB接口協(xié)議的電源能力，增強(qiáng)了其適用范圍——可以支持高達(dá)100W的系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)的傳輸，現(xiàn)在可以為電子/電氣設(shè)備提供更大的電力，而只需要使用一根電纜。因此，使用的空間和安裝成本都可以降低。USB PD意味著電源方向不再固定。根據(jù)具體情況，設(shè)備可以充當(dāng)接收端（從VBUS獲取電力）或電源（通過VBUS提供電力）。設(shè)備可以利用PD規(guī)范來實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用，對(duì)連接的硬件進(jìn)行枚舉。之后就可以提供必要的電力。充電直通(pass-through)裝置就是一個(gè)例子。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

有許多潛在的方法可以用來設(shè)計(jì)充電直通裝置。其原理是充電器的電源通過端口2傳輸?shù)蕉丝?，為連接的硬件（如筆記本電腦）充電。然而，這可以通過多種不同的管道實(shí)現(xiàn)，并且每種管道都有其特定的優(yōu)缺點(diǎn)。

vSafe5V的實(shí)現(xiàn)

本節(jié)將介紹兩種可用于vSafe5V實(shí)現(xiàn)的不同設(shè)計(jì)方法。在其中一種設(shè)計(jì)中，vSafe5V也從端口2通過，而在另一種設(shè)計(jì)中，vSafe5V是內(nèi)部生成的。

圖1：通過端口2描述vSafe5V充電直通實(shí)現(xiàn)的示意圖

圖1中描述了從端口2通過的vSafe5V。當(dāng)連接的硬件請(qǐng)求更高的電源配置文件時(shí)，端口2將協(xié)商相同的配置文件。一旦端口2完成協(xié)商過程，端口1將通知筆記本電腦電源已就緒。

這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是保持了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性，不需要使用內(nèi)部5V產(chǎn)生器。然而，這電路也有一些缺點(diǎn)。由于vSafe5V是直通的，因此電壓電平和電流容量將直接取決于端口2電源。如果輸入電壓接近PD規(guī)格的下限（4.75V至5.5V），則vSafe5V可能會(huì)低于端口1側(cè)的規(guī)格。這是由于通過電路的電壓降引起的。需要注意的另一個(gè)缺點(diǎn)是，高電壓協(xié)商過程必須在端口2側(cè)經(jīng)歷額外的協(xié)商步驟。這可能有點(diǎn)耗時(shí)，因此有可能超過PD時(shí)序規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：板載vSafe5V直通實(shí)現(xiàn)的示意圖

另一個(gè)可用的方案是在板上生成vSafe5V，如圖2所示。在這種情況下，vSafe5V可以在完全遵循USB PD規(guī)范的情況下生成。這里顯示的示例使用筆記本電腦的接收端功能，并確定連接設(shè)備的最佳充電模式。然后通過端口2協(xié)商該配置文件，并在角色切換到端口1之前設(shè)定電壓級(jí)別。一旦切換到端口1完成，它可以設(shè)定連接硬件請(qǐng)求的更高配置文件，因?yàn)槌潆娕渲梦募言诙丝?上可用。

這種設(shè)計(jì)布局是有利的，因?yàn)榭梢灶A(yù)測(cè)vSafe5V的效能。原因是vSafe5V是內(nèi)部生成的。此外，協(xié)商電壓不必在端口2上進(jìn)行重新協(xié)商，這將加快所經(jīng)歷的周轉(zhuǎn)時(shí)間。不過，這種方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)需要了解。此類設(shè)計(jì)不能用于某些主機(jī)，即在多個(gè)配置文件之間切換的主機(jī)?；贔TDI工程團(tuán)隊(duì)測(cè)試的各種主機(jī)和集線器，在不同制造商之間觀察到了電源協(xié)商的實(shí)現(xiàn)差異。

其他考慮因素

除了上面詳述的vSafe5V之外，在設(shè)計(jì)充電直通裝置時(shí)還需要考慮其他因素。其中包括：

• VBUS放電-由于充電直通裝置最初將起到接收端的作用，因此工程師必須意識(shí)到VBUS放電的必要性。當(dāng)設(shè)備作為源斷開連接時(shí)，它需要恢復(fù)到其作為接收端的初始角色。同時(shí)，VBU必須在指定的時(shí)間段內(nèi)跨整個(gè)通過路徑放電。
  
• 電壓降-必須將整個(gè)通過路徑上的電壓降降至最低。為了確保局部放電系統(tǒng)中的電源路徑以有效的管道運(yùn)行，使用了由直通局部放電裝置控制的負(fù)載開關(guān)。這種負(fù)載開關(guān)將包括通過晶體管（通常是帶開/關(guān)控制塊的MOSFET）。由于局部放電的充電電流可高達(dá)5A，因此必須記住負(fù)載開關(guān)中的漏源導(dǎo)通電阻（RdsON）必須較低，這樣所涉及的功率損耗不會(huì)太大，端口1處的電壓保持在局部放電規(guī)格范圍內(nèi)。
  
• 沖擊電流限制-當(dāng)充電器連接到端口2，充電設(shè)備連接到端口1時(shí)，如果電容性負(fù)載切換到電源軌上，可能會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。沖擊電流的大小將取決于電壓上升的上升時(shí)間和負(fù)載電容。陡峭的電壓斜坡將新增沖擊電流，并導(dǎo)致VBU中出現(xiàn)瞬時(shí)下降。這可能會(huì)導(dǎo)致連接的硬件自行重置，這需要避免。除了影響連接硬件的功能外，這種情況還可能損壞或縮短負(fù)載開關(guān)組件的工作壽命。雖然大的負(fù)載電容會(huì)降低瞬時(shí)電壓降，但會(huì)新增沖擊電流。因此，必須對(duì)負(fù)載開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換率控制，以延長(zhǎng)電壓斜坡的上升時(shí)間，并優(yōu)化負(fù)載電容以限制VBUS中的涌入電流和下降。在負(fù)載開關(guān)上進(jìn)行轉(zhuǎn)換率控制的另一個(gè)好處是，作為過流保護(hù)措施（由于存在大浪涌電流），可以防止充電器關(guān)閉直通裝置的電源，因?yàn)檫@顯然會(huì)導(dǎo)致局部放電充電中斷。
  
• 內(nèi)部功耗-出于內(nèi)部功耗的目的，顯然需要從充電模式中扣除一定的功率。在確定系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)時(shí)，需要考慮到這一點(diǎn)。
  

結(jié)論

具有直通能力的PD設(shè)備的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保在各種各樣的USB PD主機(jī)或集線器之間順利連接和供電。如果工程師確保他們完全了解本文中討論的所有項(xiàng)目，那么他們將能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。FTDI提供了支持USB電源傳輸系統(tǒng)開發(fā)所需的先進(jìn)雙端口IC科技，如上文所述。該公司的電力傳輸集成電路允許硬件從一個(gè)接收端切換到一個(gè)電源供應(yīng)，而不會(huì)出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)流中斷。


文章來源:ednchina

編輯：ymf