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实现带输电功能的USB Type-C直通设备时的关键工程注意事项

2021-06-08 Arun Pappan和Martin Tan,FTDI Chip主任工程师 阅读:
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管道实现,并且每种管道都有其特定的优缺点。

USB输电(PD)的推出,通过显著扩展USB接口协议的电源能力,增强了其适用范围——可以支持高达100W的系统。随着数据的传输,现在可以为电子/电气设备提供更大的电力,而只需要使用一根电缆。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。根据具体情况,设备可以充当接收端(从VBUS获取电力)或电源(通过VBUS提供电力)。设备可以利用PD规范来实现大功率应用,对连接的硬件进行枚举。之后就可以提供必要的电力。充电直通(pass-through)装置就是一个例子。Rymednc

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管道实现,并且每种管道都有其特定的优缺点。Rymednc

vSafe5V的实现

本节将介绍两种可用于vSafe5V实现的不同设计方法。在其中一种设计中,vSafe5V也从端口2通过,而在另一种设计中,vSafe5V是内部生成的。Rymednc

1:通过端口2描述vSafe5V充电直通实现的示意图Rymednc

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。Rymednc

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产生器。然而,这电路也有一些缺点。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时序规范的风险。Rymednc

Rymednc

2板载vSafe5V直通实现的示意图Rymednc

另一个可用的方案是在板上生成vSafe5V,如图2所示。在这种情况下,vSafe5V可以在完全遵循USB PD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端功能,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之前设定电压级别。一旦切换到端口1完成,它可以设定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。Rymednc

这种设计布局是有利的,因为可以预测vSafe5V的效能。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了解。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。Rymednc

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:Rymednc

1.VBUS放电-由于充电直通装置最初将起到接收端的作用,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端的初始角色。同时,VBU必须在指定的时间段内跨整个通过路径放电。Rymednc

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管道运行,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。Rymednc

3.冲击电流限制-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,可能会产生冲击电流。冲击电流的大小将取决于电压上升的上升时间和负载电容。陡峭的电压斜坡将新增冲击电流,并导致VBU中出现瞬时下降。这可能会导致连接的硬件自行重置,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瞬时电压降,但会新增冲击电流。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(由于存在大浪涌电流),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。Rymednc

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。Rymednc

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科技,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端切换到一个电源供应,而不会出现任何数据流中断。Rymednc

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