借助 USB Type-C 連接器，用戶可以通過(guò)同一連接器為筆記本電腦充電并連接到顯示器、音箱、存儲(chǔ)設(shè)備或耳機(jī)。利用 USB 功率傳輸（PD），之前分離的許多功能現(xiàn)在都可以集成到同一連接器上。USB PD 協(xié)議允許為發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備提供 5A 的電流。
對(duì)于某些應(yīng)用，5 A的電流可能是不足夠的，因此需要定制。德州儀器（TI）可在雙電源模式下配置USB PD控制器。該模式下，兩個(gè)USB Type-C電源路徑可并聯(lián)運(yùn)行，在與標(biāo)準(zhǔn)USB PD電源相同電壓條件下，（5 V、9 V、15 V和20V）提供多達(dá)10 A的電流能力。這種自定義行為在電源設(shè)計(jì)和PD控制器的配置中都需要特別考慮。
硬件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)大電流系統(tǒng)時(shí)，需要考慮熱性能和效率這兩個(gè)具體的設(shè)計(jì)要素。我們來(lái)討論一下電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，市場(chǎng)上大多數(shù)筆記本電腦的充電電壓為 20V，標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦充電器中 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的直流輸出電壓為 19.5V至 20V。對(duì)于在 USB PD 協(xié)議中定義的 20 V USB PD，19.5 V 電壓是在允許的 5％誤差內(nèi)的。如果降壓控制器在外部場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）上支持 100％占空比，則允許僅采用降壓電源架構(gòu)的設(shè)計(jì)。還可以與降壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)，增加一個(gè)旁路路徑，這將輸入電壓直接傳遞至降壓轉(zhuǎn)換器輸出，無(wú)需通過(guò)電感。這種方法可具備出色的熱性能，但需要添加兩個(gè)額外的 FET。
DC/DC降壓設(shè)計(jì)
對(duì)于這個(gè)具體的設(shè)計(jì)示例，我會(huì)使用 TI 的 LM3489 磁滯 p 溝道 FET（PFET）控制器。該集成電路（IC）允許外部 PFET 上 100％的占空比，可直接從 AC/DC 轉(zhuǎn)換器通過(guò)外部 19.5 V。市場(chǎng)上大多數(shù) USB PD 控制器都具有通用輸入/輸出（GPIO），用于控制外部穩(wěn)壓器輸出電壓。PD 控制器可以通過(guò)調(diào)節(jié)降壓的反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整 LM3489 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
圖 1.DC/DC 可調(diào)反饋網(wǎng)絡(luò)。
圖1所示的架構(gòu)可用于輸出所有四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB PD電壓（5V、9V、15V和20 V）。選擇R1和R2時(shí)，默認(rèn)輸出電壓為5V。USB PD控制器協(xié)議更高的電源電壓時(shí)，它會(huì)切換GPIO信號(hào)，打開反饋網(wǎng)絡(luò)中的n溝道FET（NFET），調(diào)節(jié)輸出電壓。啟用Q1時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行調(diào)整，使R2和R3與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇R3、R2時(shí)，R3與分壓器頂部的R1并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生9 V輸出。啟用Q2時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)行調(diào)整，使R2和R4與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇R4時(shí)，R2和R4與分壓器頂部的R1的并聯(lián)電阻產(chǎn)生15 V輸出。最后，啟用Q1和Q2時(shí)，R2、R3和R4均與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇電阻值，產(chǎn)生20 V輸出。設(shè)計(jì)輸出大于 5 A 的系統(tǒng)時(shí)，旁路通路可以直接將AC/DC 輸出電壓傳遞給系統(tǒng)中的 VBUS FET。使用通過(guò)GPIO 控制的 PFET 旁路通路是一種實(shí)現(xiàn)此目的的簡(jiǎn)單方法.
對(duì)于此應(yīng)用，使用具有低RDS(on)且相對(duì)較大的PFET，通過(guò)外部旁路通路將損耗降至更低。這種電源架構(gòu)使LM3489能根據(jù)所連接的設(shè)備產(chǎn)生所有標(biāo)準(zhǔn)USB PD的電壓。一旦交替模式（AlternateMode）啟動(dòng)協(xié)商高功率模式，，USB PD控制器就可以切換GPIO，使外部旁路通路能夠直接將AC/DC輸出電壓傳遞給VBUSFET。這樣USB PD電源系統(tǒng)便能夠保持兼容，同時(shí)使高功率模式下的損耗更小。圖 2 重點(diǎn)說(shuō)明了電源架構(gòu)-包括由背對(duì)背 PFET 組成的旁路路徑。當(dāng)路徑禁用時(shí)，VOUT 側(cè) PFET 的體二極管會(huì)阻止 AC/DC 電源電壓泄漏到 LM3489 的輸出。協(xié)議并進(jìn)入交替模式，會(huì)啟用外部 PFET 路徑。切換啟動(dòng)引腳，并使用這種相同的 GPIO 信號(hào)來(lái)同時(shí)禁用 LM3489DC/DC，可以在啟用外部 PFET 路徑時(shí)使 DC/DC 不會(huì)以 20 V 反向饋電。
圖 2.帶旁路 FET 的 GPIO 控制式降壓 DC/DC。
USB PD控制器設(shè)計(jì)
USB PD 控制器對(duì)于實(shí)現(xiàn)前述討論的功能至關(guān)重要。它必須能夠控制 GPIO，并以更小的損耗通過(guò)其 VBUS FET
處 理 大 電 流 。 在 此 特 定 示 例 中 ， 我 使 用 的 是TPS65987D。為了控制上一節(jié)中所述的 LM3489DC/DC，TPS65987D 使用真值表（表 1）中的兩個(gè)GPIO 來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。
表1.GPIO控制真值表。
或者，如果系統(tǒng)的輸入電壓低于 20 V，則可以使用自帶 I2C 的降壓/升壓控制器（如 bq25703A 代替LM3489。雖然您通常需要一個(gè)微控制器（MCU）來(lái)控制降壓升壓控制器，但是借助 TPS65987D 的集成 I2C主機(jī)，MCU 就不再必需。
根據(jù) USB PD 協(xié)議，在其配置通道（CC）線路上帶有RD 的設(shè)備必須將 DC/DC 控制器的輸出電容與 VBUS 隔離。在這種情況下，系統(tǒng)必須具有 VBUS FET 以滿足此協(xié)議。TPS65987D 有兩個(gè)高壓背對(duì)背集成 FET，可滿足此要求。TPS65987D 中的內(nèi)部 FET 在 25°C 環(huán)境溫度下的 RDS(on)約為 25mΩ。對(duì)于高電流應(yīng)用，此電阻可能太高。當(dāng) 5 A 的電流通過(guò)其中一個(gè)內(nèi)部 FET 時(shí)，F(xiàn)ET中將消耗大約 750 mW 的功率。通過(guò)雙電源模式，TPS65987D 能夠同時(shí)并聯(lián)關(guān)閉其兩個(gè)內(nèi)部電源路徑。這種模式有效地將電源路徑的 RDS(on)減半，并且還使FET 內(nèi)部的功耗減半。圖 3 重點(diǎn)說(shuō)明了 PD 控制器如何與此電源架構(gòu)連接。
圖 3.帶旁路 FET 的 GPIO 控制式 DC/DC 降壓進(jìn)入 USB PD 控制器。
同時(shí)打開兩個(gè)FET，不僅允許兩倍的電流通過(guò)USB PD控制器；還可以通過(guò)VBUSFET大大降低損耗。許多應(yīng)用有著非常嚴(yán)格的功率預(yù)算。高RDS(on)VBUS FET會(huì)阻礙USB Type-C在某些應(yīng)用中的使用。TI通過(guò)提供更低的RDS(on)集成電源路徑解決方案解決了這一問(wèn)題，從而可以在以往從未考慮過(guò)的領(lǐng)域使用USB Type-C。
VBUS電源路徑保護(hù)
當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)高功率系統(tǒng)時(shí)，保護(hù)用戶和系統(tǒng)免受可能在電源路徑上發(fā)生的任何有害事件至關(guān)重要。最難以防范的事件是VBUS對(duì)地短路。在這種情況下，VBUS上的電流會(huì)迅速增加；在這些高電流電平造成損壞之前，電源路徑必須立即斷開FET。如果FET未快速斷開，突增電流可能會(huì)損壞FET和系統(tǒng)的其余部分。
市場(chǎng)上的許多 USB PD 控制器都沒(méi)有集成電源路徑。通過(guò)這些類型的 USB PD 控制器，硬件設(shè)計(jì)人員可以使用分立元件提供保護(hù)。離散地實(shí)施過(guò)電流保護(hù)方案可能很繁瑣；它通常涉及使用帶有電流檢測(cè)放大器的檢測(cè)電阻。然后將電流檢測(cè)放大器的輸出饋入比較器，該比較器會(huì)觸發(fā) USB PD 控制器上的故障 GPIO，或激活電路以禁用 VBUS FET 的柵極。這不是最佳的解決方案，因?yàn)樵O(shè)置比較器后，就無(wú)法調(diào)整過(guò)流跳變點(diǎn)。如果 VBUS對(duì)地短路，那么相比通過(guò)集成電源路徑進(jìn)行檢測(cè)，分立式解決方案將需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)檢測(cè)短路并斷開 FET。
與過(guò)流保護(hù)一樣，實(shí)施反向電流保護(hù)，可以保護(hù)系統(tǒng)免受不合規(guī)USB PD設(shè)備或適配器的影響。使用沒(méi)有集成電源路徑的USB PD控制器需要離散地實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)，這是選擇USB PD控制器時(shí)需要考慮的另一個(gè)設(shè)計(jì)因素。一個(gè)集成了電源路徑和保護(hù)的USB PD控制器可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，因?yàn)樗斜Ｗo(hù)均已集成。這使您可以專注于設(shè)計(jì)的其他方面，而無(wú)需考慮外部電源路徑和離散保護(hù)的設(shè)計(jì)。
圖4重點(diǎn)說(shuō)明了在具有適當(dāng)保護(hù)的電源路徑的VBUS對(duì)地短路期間會(huì)發(fā)生的情況。當(dāng)VBUS上的電流迅速上升至約35 A時(shí)，USB PD控制器檢測(cè)到此大電流并立即斷開FET。VBUS對(duì)地短路保護(hù)必須通過(guò)硬件比較器作為固件來(lái)實(shí)現(xiàn)。固件實(shí)現(xiàn)無(wú)法足夠快速地做出反應(yīng)以保護(hù)電源路徑和系統(tǒng)，這種電源路徑快速關(guān)斷可在發(fā)生硬短路時(shí)保護(hù)系統(tǒng)和FET。
如果系統(tǒng)沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，可能會(huì)損壞 DC/DC 和VBUS FET，系統(tǒng)甚至可能會(huì)變燒毀。電源發(fā)送端始終根據(jù) USB PD 協(xié)議負(fù)責(zé)過(guò)流和短路保護(hù)。TPS65987D可以防止這些事件的發(fā)生。有關(guān)通過(guò) TPS65987D 實(shí)現(xiàn)的各種保護(hù)的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用報(bào)告“TPS65987DDH 電源路徑性能和保護(hù)。”
圖 4.VBUS對(duì)地短路，VBUS = 20V。
功率接收器設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)一個(gè)可在 USB Type-C 連接器上接收電源的設(shè)備要比發(fā)送設(shè)備更簡(jiǎn)單。接收設(shè)備不需要實(shí)施任何過(guò)流保護(hù)，因?yàn)樗蕾囉陔娫窗l(fā)送端進(jìn)行保護(hù)。市場(chǎng)上的許多USB PD 控制器支持“電池耗盡”操作。由于系統(tǒng)中唯一的電源是 VBUS，因此電池耗盡模式可以使您設(shè)計(jì)一個(gè)完全由 VBUS 供電且不需要任何外部電源的系統(tǒng)。當(dāng)您的設(shè)備電池完全放電時(shí)，電池耗盡操作使整個(gè)系統(tǒng)能成功啟動(dòng)，并開始為電池充電或?yàn)橄到y(tǒng)供電，而不依賴于外部電源。
圖5重點(diǎn)說(shuō)明了采用TPS65987D進(jìn)行接收設(shè)備設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。USB PD控制器會(huì)處理與發(fā)送端的協(xié)議，并相應(yīng)地啟用內(nèi)部電源路徑。當(dāng)在發(fā)送端和接收端都使用TI USB PD控制器時(shí)，將兩個(gè)設(shè)備都置于雙電源模式下可進(jìn)行大電流充電。雙電源模式會(huì)同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)電源路徑，因此RDS(on) 會(huì)減半，且通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的電纜，高達(dá)10 A的電流可以從發(fā)送端流到接收端。
圖 5.USB PD 控制器中的并聯(lián) FET 到 VBUS。
雙電源模式
使用TI的配置工具可配置雙電源模式。為支持大電流，您必須確保接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備都配置為雙電源模式，且設(shè)備之間的電纜額定可承受所需的電流。這通常需要使用帶有電子標(biāo)記的系留索或電纜。無(wú)電子標(biāo)記的電纜不足以提供超過(guò)3 A的電流，不應(yīng)將其用于大電流模式。USB PD協(xié)議規(guī)定電纜和連接器必須支持200％的工作電流條件，以便5 A電纜和連接器可以支持10 A一段時(shí)間。
當(dāng)發(fā)送端設(shè)備進(jìn)入雙電源模式時(shí)，它將同時(shí)并行關(guān)閉兩個(gè)電源路徑并生成 GPIO 事件，將電源配置為提供合適的電流。相反，當(dāng)接收端設(shè)備進(jìn)入雙電源模式時(shí)，它還會(huì)生成一個(gè) GPIO 事件，向接收系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，表明它可能開始消耗大電流。重要的是，在兩個(gè)設(shè)備都配置為雙電源模式后，接收設(shè)備才開始消耗大電流。
結(jié)論
USB Type-C和USB PD使末端設(shè)備能夠在同一連接器上實(shí)現(xiàn)更多功能。USB Type-C將高速數(shù)據(jù)和高達(dá)5 A的電流整合在一條電纜中，可為許多不同類型的末端設(shè)備提供全面的連接解決方案。但對(duì)于所有想要轉(zhuǎn)移到USB Type-C的設(shè)計(jì)，5 A的電流不夠充分，對(duì)于這些特定的應(yīng)用，雙電源模式可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)較低的RDS(on)。
TI 的 TPS65987D 使用雙電源模式，提供更低 RDS(on)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)大電流充電。具有集成電源路徑的USB PD 控制器可通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，來(lái)縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間。通過(guò)集成電源路徑保護(hù)，您可以將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在系統(tǒng)的其他方面，而不必?fù)?dān)心電源路徑受損。 |
