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

USB輸電（PD）的推出，通過顯著擴展USB接口協(xié)議的電源能力，增強了其適用范圍——可以支持高達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)范來實現(xiàn)大功率應用，對連接的硬件進行枚舉。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管道實現(xiàn)，并且每種管道都有其特定的優(yōu)缺點。

vSafe5V的實現(xiàn)

本節(jié)將介紹兩種可用于vSafe5V實現(xiàn)的不同設(shè)計方法。在其中一種設(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。

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產(chǎn)生器。然而，這電路也有一些缺點。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時序規(guī)范的風險。

圖2：板載vSafe5V直通實現(xiàn)的示意圖

另一個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)定電壓級別。一旦切換到端口1完成，它可以設(shè)定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，因為可以預測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了解。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：

• 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，它需要恢復到其作為接收端的初始角色。同時，VBU必須在指定的時間段內(nèi)跨整個通過路徑放電。
  
• 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管道運行，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)。
  
• 沖擊電流限制-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)生沖擊電流。沖擊電流的大小將取決于電壓上升的上升時間和負載電容。陡峭的電壓斜坡將新增沖擊電流，并導致VBU中出現(xiàn)瞬時下降。這可能會導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載開關(guān)組件的工作壽命。雖然大的負載電容會降低瞬時電壓降，但會新增沖擊電流。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（由于存在大浪涌電流），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接收端切換到一個電源供應，而不會出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)流中斷。


文章來源:ednchina

編輯：ymf