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實現(xiàn)帶電源傳輸功能的USB Type-C型直通設(shè)備時的關(guān)鍵工程注意事項

發(fā)布時間:2021-06-16 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】USB電源傳輸(PD)的引入大大提高了USB接口協(xié)議的功率能力,具有支持高達100W系統(tǒng)的潛力。隨著數(shù)據(jù)的傳輸,現(xiàn)在只需要使用一根電纜就可以為電子/電氣設(shè)備提供更大的功率。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。
 
USB電源傳輸(PD)的引入大大提高了USB接口協(xié)議的功率能力,具有支持高達100W系統(tǒng)的潛力。隨著數(shù)據(jù)的傳輸,現(xiàn)在只需要使用一根電纜就可以為電子/電氣設(shè)備提供更大的功率。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。因此,根據(jù)具體情況,設(shè)備可以充當接收器(從VBUS獲取電源)或電源(通過VBUS提供電源)。設(shè)備可以利用PD規(guī)范來實現(xiàn)高功率應(yīng)用程序,對連接的硬件進行枚舉。在那之后,他們可以提供必要的力量。充電直通裝置就是一個例子。
 
設(shè)計目標
 
有許多潛在的方法可以用來設(shè)計充電直通裝置。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方式實現(xiàn),并且每種方式都有其特定的優(yōu)缺點。
 
獲得vSafe5V
 
在本節(jié)中,我們將介紹兩種可用于vSafe5V實現(xiàn)的不同設(shè)計方法。在一種設(shè)計中,vSafe5V也從端口2通過,而在另一種設(shè)計中,vSafe5V是內(nèi)部生成的。
 
實現(xiàn)帶電源傳輸功能的USB Type-C型直通設(shè)備時的關(guān)鍵工程注意事項
圖1:通過端口2描述vSafe5V充電直通實現(xiàn)的示意圖
 
圖1中描述了從端口2通過的vSafe5V。當連接的硬件請求更高的電源配置文件時,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)點是保持了設(shè)計的簡單性,不需要使用內(nèi)部5V發(fā)生器。然而,這條路線也有一些缺點。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。需要注意的另一個缺點是,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。這可能有點耗時,因此有
 
可能超過PD定時規(guī)范。
 
實現(xiàn)帶電源傳輸功能的USB Type-C型直通設(shè)備時的關(guān)鍵工程注意事項
圖2:板載vSafe5V直通實現(xiàn)的示意圖
 
另一個可用的選項是在板上生成vSafe5V,如圖2所示。在這種情況下,vSafe5V可以在完全遵循usbpd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器功能,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)置電壓級別。一旦切換到端口1完成,它可以設(shè)置連接硬件請求的更高配置文件,因為充電配置文件已在端口2上可用。
 
這種設(shè)計布局是有利的,因為可以預(yù)測vSafe5V的性能。原因是vSafe5V是內(nèi)部生成的。此外,協(xié)商電壓不必在端口2上進行重新協(xié)商,這將加快所經(jīng)歷的周轉(zhuǎn)時間。不過,這種方法有一個明顯的缺點需要得到承認。此類設(shè)計不能用于某些主機,即在多個配置文件之間切換的主機?;贔TDI工程團隊測試的各種主機和集線器,在不同制造商之間觀察到了電源協(xié)商的實現(xiàn)差異。
 
其他考慮因素
 
除了上面詳述的vSafe5V之外,在設(shè)計充電直通裝置時還需要考慮其他因素。其中包括:
 
1.VBUS放電-由于充電直通裝置最初將起到接收器的作用,因此工程師必須意識到VBUS放電的必要性。當設(shè)備作為源斷開連接時,它需要恢復(fù)到其作為接收器的初始角色。同時,VBUS必須在指定的時間段內(nèi)跨整個通過路徑放電。
 
2.電壓降-必須將整個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方式運行,使用了由直通局部放電裝置控制的負載開關(guān)。這種負載開關(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5A,因此必須記住負載開關(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太大,端口1處的電壓保持在局部放電規(guī)格范圍內(nèi)。
 
3.浪涌電流限制-當充電器連接到端口2,充電設(shè)備連接到端口1時,如果電容性負載切換到電源軌上,可能會產(chǎn)生浪涌電流。浪涌電流的大小將取決于電壓上升的上升時間和負載電容。陡峭的電壓斜坡將增加浪涌電流,并導(dǎo)致VBUS中出現(xiàn)瞬時下降。這可能會導(dǎo)致連接的硬件自行復(fù)位,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載開關(guān)組件的工作壽命。雖然大的負載電容會降低暫態(tài)電壓降,但會增加勵磁涌流。因此,必須對負載開關(guān)進行轉(zhuǎn)換率控制,以延長電壓斜坡的上升時間,并優(yōu)化負載電容以限制VBUS中的涌入電流和下降。在負載開關(guān)上進行轉(zhuǎn)換率控制的另一個好處是,作為過流保護措施(由于存在高浪涌電流),可以防止充電器關(guān)閉直通裝置的電源,因為這顯然會導(dǎo)致局部放電充電中斷。
 
4.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)的運行參數(shù)時,需要考慮到這一點。
 
結(jié)論
 
具有直通能力的PD設(shè)備的總體設(shè)計目標是確保在各種各樣的USB PD主機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目,那么他們將能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標。FTDI提供了支持USB電源傳輸系統(tǒng)開發(fā)所需的先進雙端口IC技術(shù),如上文所述。該公司的電力傳輸集成電路允許硬件從一個接收器切換到一個源,而不會出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)流中斷。
 
 
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