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借助 USB Type-C連接器,用戶可以通過同一連接器為筆記本電腦充電並連接到顯示器、音箱、存儲設備或耳機。利用 USB 功率傳輸(PD),之前分離的許多功能現在都可以集成到同一連接器上。USB PD 協議允許為發送設備或接收設備提供 5A 的電流。對於某些應用,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 USB
Type-C 電源路徑可並聯運行,在與標準 USB PD 電源相同電壓條件下,(5 V、9 V、15 V 和 20V)提供多達 10 A 的電流能力。這種自定義行為在電源設計和 PD 控制器的配置中都需要特別考慮。硬件設計在設計大電流系統時,需要考慮熱性能和效率這兩個具體的設計要素。我們來討論一下電源轉換器的設計,市場上大多數筆記本電腦的充電電壓為 20V,標準筆記本電腦充電器中 AC/DC
轉換器的直流輸出電壓為 19.5V 至 20V。對於在 USB PD 協議中定義的 20 V USB PD,19.5 V 電壓是在允許的 5%誤差內的。如果降壓控制器在外部場效應晶體管(FET)上支持 100%占空比,則允許僅采用降壓電源架構的設計。還可以與降壓轉換器並聯,增加一個旁路路徑,這將輸入電壓直接傳遞至降壓轉換器輸出,無需通過電感。這種方法可具備出色的熱性能,但需要添加兩個額外的
FET。DC/DC 降壓設計對於這個具體的設計示例,我會使用 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 轉換器通過外部 19.5 V。市場上大多數 USB PD 控制器都具有通用輸入 / 輸出(GPIO),用於控制外部穩壓器輸出電壓。PD 控制器可以通過調節降壓的反饋網絡來調整
LM3489 DC/DC 降壓轉換器的輸出電壓。圖 1.DC/DC 可調反饋網絡。圖 1 所示的架構可用於輸出所有四個標準 USB PD 電壓(5V、9V、15V 和 20 V)。選擇
R1 和 R2 時,默認輸出電壓為 5V。USB PD 控制器協議更高的電源電壓時,它會切換 GPIO 信號,打開反饋網絡中的 n 溝道 FET(NFET),調節輸出電壓。啟用 Q1 時,反饋網絡會進行調整,使 R2 和 R3 與分壓器頂部的 R1 並聯。選擇 R3、R2 時,R3 與分壓器頂部的 R1 並聯會產生 9 V 輸出。啟用 Q2 時,反饋網絡會進行調整,使 R2 和 R4
與分壓器頂部的 R1 並聯。選擇 R4 時,R2 和 R4 與分壓器頂部的 R1 的並聯電阻產生 15 V 輸出。最後,啟用 Q1 和 Q2 時,R2、R3 和 R4 均與分壓器頂部的 R1 並聯。選擇電阻值,產生 20 V 輸出。設計輸出大於 5 A 的系統時,旁路通路可以直接將 AC/DC 輸出電壓傳遞給系統中的 VBUS FET。使用通過 GPIO 控制的 PFET
旁路通路是一種實現此目的的簡單方法。對於此應用,使用具有低 RDS(on)且相對較大的 PFET,通過外部旁路通路將損耗降至更低。這種電源架構使 LM3489 能根據所連接的設備產生所有標準 USB PD 的電壓。一旦交替模式(AlternateMode)啟動協商高功率模式,,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 電源系統便能夠保持兼容,同時使高功率模式下的損耗更小。圖 2 重點說明瞭電源架構 – 包括由背對背 PFET 組成的旁路路徑。當路徑禁用時,VOUT 側 PFET 的體二極管會阻止 AC/DC 電源電壓泄漏到 LM3489 的輸出。協議並進入交替模式,會啟用外部 PFET 路徑。切換啟動引腳,並使用這種相同的 GPIO 信號來同時禁用 LM3489DC/DC,可以在啟用外部
PFET 路徑時使 DC/DC 不會以 20 V 反向饋電。圖 2. 帶旁路 FET 的 GPIO 控制式降壓 DC/DC。USB PD 控制器設計USB PD
控制器對於實現前述討論的功能至關重要。它必須能夠控制 GPIO,並以更小的損耗通過其 VBUS FET 處 理 大 電 流 。 在 此 特 定 示 例 中 , 我 使 用 的 是 TPS65987D。為瞭控制上一節中所述的 LM3489DC/DC,TPS65987D 使用真值表(表 1)中的兩個 GPIO 來產生輸出電壓。表 1.GPIO 控制真值表。或者,如果系統的輸入電壓低於 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微控制器(MCU)來控制降壓升壓控制器,但是借助 TPS65987D 的集成 I2C 主機,MCU 就不再必需。根據 USB PD 協議,在其配置通道(CC)線路上帶有 RD 的設備必須將 DC/DC 控制器的輸出電容與 VBUS 隔離。在這種情況下,系統必須具有 VBUS FET 以滿足此協議。TPS65987D 有兩個高壓背對背集成
FET,可滿足此要求。TPS65987D 中的內部 FET 在 25°C 環境溫度下的 RDS(on)約為 25mΩ。對於高電流應用,此電阻可能太高。當 5 A 的電流通過其中一個內部 FET 時,FET 中將消耗大約 750 mW 的功率。通過雙電源模式,TPS65987D 能夠同時並聯關閉其兩個內部電源路徑。這種模式有效地將電源路徑的 RDS(on)減半,並且還使 FET 內部的功耗減半。圖
3 重點說明瞭 PD 控制器如何與此電源架構連接。圖 3. 帶旁路 FET 的 GPIO 控制式 DC/DC 降壓進入 USB PD 控制器。同時打開兩個
FET,不僅允許兩倍的電流通過 USB PD 控制器;還可以通過 VBUSFET 大大降低損耗。許多應用有著非常嚴格的功率預算。高 RDS(on)VBUS FET 會阻礙 USB Type-C 在某些應用中的使用。TI 通過提供更低的 RDS(on)集成電源路徑解決方案解決瞭這一問題,從而可以在以往從未考慮過的領域使用 USB Type-C。 VBUS
電源路徑保護當設計一個高功率系統時,保護用戶和系統免受可能在電源路徑上發生的任何有害事件至關重要。最難以防范的事件是 VBUS 對地短路。在這種情況下,VBUS 上的電流會迅速增加;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,突增電流可能會損壞 FET 和系統的其餘部分。市場上的許多 USB PD 控制器都沒有集成電源路徑。通過這些類型的 USB PD
控制器,硬件設計人員可以使用分立元件提供保護。離散地實施過電流保護方案可能很繁瑣;它通常涉及使用帶有電流檢測放大器的檢測電阻。然後將電流檢測放大器的輸出饋入比較器,該比較器會觸發 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,因為設置比較器後,就無法調整過流跳變點。如果 VBUS
對地短路,那麼相比通過集成電源路徑進行檢測,分立式解決方案將需要更長的時間來檢測短路並斷開 FET。與過流保護一樣,實施反向電流保護,可以保護系統免受不合規 USB PD 設備或適配器的影響。使用沒有集成電源路徑的 USB PD 控制器需要離散地實現反向電流保護,這是選擇 USB PD 控制器時需要考慮的另一個設計因素。一個集成瞭電源路徑和保護的 USB PD
控制器可以節省設計時間,因為所有保護均已集成。這使您可以專註於設計的其他方面,而無需考慮外部電源路徑和離散保護的設計。圖 4 重點說明瞭在具有適當保護的電源路徑的 VBUS 對地短路期間會發生的情況。當 VBUS 上的電流迅速上升至約 35 A 時,USB PD 控制器檢測到此大電流並立即斷開 FET。VBUS
對地短路保護必須通過硬件比較器作為固件來實現。固件實現無法足夠快速地做出反應以保護電源路徑和系統,這種電源路徑快速關斷可在發生硬短路時保護系統和 FET。如果系統沒有得到適當的保護,可能會損壞 DC/DC 和 VBUS FET,系統甚至可能會變燒毀。電源發送端始終根據 USB PD 協議負責過流和短路保護。TPS65987D 可以防止這些事件的發生。有關通過 TPS65987D
實現的各種保護的更多信息,請參閱應用報告“TPS65987DDH 電源路徑性能和保護。”圖 4.VBUS 對地短路,VBUS = 20V。功率接收器設計實現一個可在 USB
Type-C 連接器上接收電源的設備要比發送設備更簡單。接收設備不需要實施任何過流保護,因為它依賴於電源發送端進行保護。市場上的許多 USB PD 控制器支持“電池耗盡”操作。由於系統中唯一的電源是 VBUS,因此電池耗盡模式可以使您設計一個完全由 VBUS
供電且不需要任何外部電源的系統。當您的設備電池完全放電時,電池耗盡操作使整個系統能成功啟動,並開始為電池充電或為系統供電,而不依賴於外部電源。圖 5 重點說明瞭采用 TPS65987D 進行接收設備設計的簡單性。USB PD 控制器會處理與發送端的協議,並相應地啟用內部電源路徑。當在發送端和接收端都使用TI USB PD
控制器時,將兩個設備都置於雙電源模式下可進行大電流充電。雙電源模式會同時關閉兩個電源路徑,因此 RDS(on) 會減半,且通過適當設計的電纜,高達 10 A 的電流可以從發送端流到接收端。圖 5.USB PD 控制器中的並聯 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,您必須確保接收設備和發送設備都配置為雙電源模式,且設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記的系留索或電纜。無電子標記的電纜不足以提供超過 3 A 的電流,不應將其用於大電流模式。USB PD 協議規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
一段時間。當發送端設備進入雙電源模式時,它將同時並行關閉兩個電源路徑並生成 GPIO 事件,將電源配置為提供合適的電流。相反,當接收端設備進入雙電源模式時,它還會生成一個 GPIO 事件,向接收系統發送信號,表明它可能開始消耗大電流。重要的是,在兩個設備都配置為雙電源模式後,接收設備才開始消耗大電流。結論USB Type-C 和 USB PD 使末端設備能夠在同一連接器上實現更多功能。USB
Type-C 將高速數據和高達 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備提供全面的連接解決方案。但對於所有想要轉移到 USB Type-C 的設計,5 A 的電流不夠充分,對於這些特定的應用,雙電源模式可使系統設計人員實現較低的 RDS(on)。TI 的 TPS65987D 使用雙電源模式,提供更低 RDS(on)的解決方案,以實現大電流充電。具有集成電源路徑的 USB PD
控制器可通過簡化系統電源設計,來縮短設計周期時間。通過集成電源路徑保護,您可以將設計重點放在系統的其他方面,而不必擔心電源路徑受損。

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