USB Type-C電源管理設(shè)計(jì)方案

如今，帶有USBType-C接口的應(yīng)用和便攜設(shè)備越來越多見。USBType-C（也稱為USB-C）連接器優(yōu)點(diǎn)很多，如體積小、易于使用、功能多樣等，而且可支持多種協(xié)議，例如USB3.1、DisplayPort、HDMI和USBPD。USB實(shí)施者論壇（USB-IF）發(fā)布的USBType-C指南被稱為USBType-C電纜和連接器規(guī)范，其中概述了可以實(shí)現(xiàn)其多功能性的USBType-C標(biāo)準(zhǔn)。本文將討論USBType-C規(guī)范，以及如何設(shè)計(jì)簡化的供電解決方案，以滿足必要的便攜式設(shè)備和配件應(yīng)用供電要求。

USBType-C規(guī)范定義了四對電源引腳用于供電，以及兩個CC引腳用于檢測設(shè)備狀態(tài)。它定義了兩個潛在電源：VBUS和VCONN。VCONN引腳沒有特別的規(guī)格，因?yàn)槠潆妷嚎偸窃?V和5V之間；但VBUS的電壓范圍較寬，必須符合不同的協(xié)議，如USBPD。在USBPD協(xié)議下，VBUS電壓可高達(dá)20V。為了在電壓激增時保護(hù)連接的設(shè)備，USBType-C電纜和連接器規(guī)范要求連接到VBUS的引腳要能夠承受高達(dá)21V的電壓。

對有帶電標(biāo)記的USB電纜，VCONN和VBUS都可以提供電源。如果VCONN可用而且能被檢測到，則連接的設(shè)備由VCONN供電。如果移除了VCONN，則設(shè)備由VBUS供電。為了監(jiān)測這兩種電源路徑的可用性，系統(tǒng)需要一個O型環(huán)路來檢測電源變化。圖1顯示了一個傳統(tǒng)的O型環(huán)路。該電路有四個I/O引腳、兩個電源輸入引腳（VIN1和VIN2）、一個輸出電源引腳（VOUT）和一個選擇引腳（SEL）。當(dāng)SEL引腳接收到信號時，內(nèi)部邏輯控制器會產(chǎn)生兩個控制信號來選擇來自VIN1或VIN2的電源路徑。

圖1： O型環(huán)路

我們舉例說明USB Type-C 電纜的一種應(yīng)用，將VBUS 連接到 VIN2，VCONN 連接到 VIN1。當(dāng) Q2 導(dǎo)通而Q1 關(guān)斷時，在VIN2
到 VIN1 之間會因MOSFET 體二極管產(chǎn)生電流 （IS）。在這種設(shè)置下，VBUS 電壓可能高達(dá) 20V，這意味著任何連接到 VIN1
的設(shè)備都可能被損壞。

要解決這個問題，應(yīng)采用四個 MOSFET（兩條路徑各有一對背對背 MOSFET ）來實(shí)現(xiàn)最佳 O型環(huán)路（參見圖 2）。該電路使用兩個 MOSFET
作為一個開關(guān)。由于這兩個 MOSFET 的體二極管方向相反，因此無論哪一個開關(guān)（開關(guān) 1 或開關(guān) 2）導(dǎo)通或關(guān)斷，都不會產(chǎn)生漏電流。

使用四個 N 溝道 MOSFET（Q1、Q2、Q3 和 Q4）創(chuàng)建兩個開關(guān)，并構(gòu)建一個 O 型環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)兩個電源引腳（VIN1 和
VIN2）的快速瞬變，同時可以通過 SEL 引腳選擇電源路徑。

圖2： 集成背對背MOSFET的O型環(huán)路

MPS 的MP5461就是一款將這種類型的 O型環(huán)路集成到其設(shè)計(jì)中的變換器，它在測試時表現(xiàn)優(yōu)異（參見圖 3 和圖 4）。當(dāng) SEL
引腳從低電平切換到高電平，且電源引腳從 VIN1 切換到 VIN2 時，VOUT均保持出色的輸出電壓穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)高浪涌電流或電壓過沖。當(dāng)電源引腳從 VIN2切換到 VIN1 時，表現(xiàn)亦是如此。

圖 3：電源從 VIN1 切換到 VIN2-圖 4：電源從 VIN2 切換到 VIN1

USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范明確定義，由VCONN 供電的設(shè)備以及大多數(shù)具有帶電標(biāo)記的IC都需要3.3V 或5V電壓。為確保穩(wěn)定的輸出，無論輸入電壓高于、等于還是低于輸出電壓，都需要使用升降壓（Buck-Boost）電路來處理。采用四個 MOSFET構(gòu)建升降壓（Buck-Boost）電路可提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)和高效率。為了平衡空間與效率要求，可以采用兩個P 溝道MOSFET 和兩個N溝道 MOSFET來構(gòu)建升降壓（Buck-Boost）電路。

USB Type-C 電纜和連接器規(guī)范為 USB Type-C電纜提供的參考設(shè)計(jì)，其電子設(shè)計(jì)空間有限。在較小空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)的最有效方法是利用高度集成的電源解決方案。

而MP5461 就提供了一種高效且節(jié)省空間的電源解決方案，可以滿足以上建議條件。其集成O型環(huán)路由總共八個 MOSFET提供支持，其中包含四個 N 溝道MOSFET ，以及由兩個 P 溝道 MOSFET 和兩個 N 溝道 MOSFET 構(gòu)成的升降壓（Buck-Boost）電路（見圖 5）。

圖5： MP5461功能框圖

該器件還提供電源路徑管理和多種保護(hù)功能，包括反向電流保護(hù)、過壓保護(hù) （OVP）、過流保護(hù) （OCP）、過熱關(guān)斷和欠壓鎖定 （UVLO）保護(hù)。
它采用超小尺寸 1.4mmx1.8mm CSP 封裝，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 93.8% 的效率（見圖 6）。

圖6： MP5461的效率與負(fù)載電流

結(jié)論

USB Type-C 電纜和連接器盡管體積小巧，但卻用途廣泛且功能強(qiáng)大，它提供兩個源極（VCONN 和VBUS）并具有寬電壓范圍。為實(shí)現(xiàn)精巧、緊湊的設(shè)計(jì)，可靠地處理并監(jiān)測USB Type-C 電壓，強(qiáng)烈建議采用帶 O型環(huán)路和升降壓（Buck-Boost）電路的集成電源設(shè)備。帶集成 O 型環(huán)路和升降壓（Buck-Boost）電路的電路拓?fù)湟餐瑫r適用于多輸入電源應(yīng)用，例如帶USB 和電池輸入源（例如鋰離子電池輸入）的應(yīng)用。其理想解決方案不僅能夠有效處理兩種電壓，而且還能將 O型環(huán)路和升降壓（Buck-Boost）電路集成到單個器件中，以最大限度地減少占板空間和BOM 成本。具有高集成度和內(nèi)置保護(hù)功能MP5416是具有差異化的電源設(shè)備，適用于帶 USB Type-C 輸入的配件產(chǎn)品，例如 USB Type-C 數(shù)字 AV 多端口適配器和 USB Type-C 轉(zhuǎn)
HDMI 適配器。