USB Type-C

USB Type-C 接口因其小型化,可正反插,支持高功率、高速数据传输等特点在消费类产品上得到越来越广泛的应用。

“如何全方位保护你的

Type-C 有着强大的兼容性,除了保留 D+/D- 引脚支持 USB 2.0 数据传输外,还在规范定义上兼容其他协议标准的信号传输,例如对 DP 信号传输的支持。因此成为能够广泛连接智能手机、 PC、游戏主机、存储设备和扩展坞等绝大部分电子设备的标准化接口,实现数据传输和设备充电的统一。

现行主流 USB Power Delivery 3.0 最高可支持 20V/5A 的电力输出,即 100W 的充电功率( 2021 年 5 月发布的 PD 3.1 进一步支持高达 48V/5A 的电力规格)。USB Type-C 接口除了可以进行基于 PD 规范的大功率充电外,还可以实现 DisplayPort 1.4 视频传输、Thunderbolt 4 等功能。因此,具有全功能 Type-C 接口的设备可以实现通过单一接口进行双向充电、视频输出等功能。

“图1
图1 USB Type-C 接口引脚分布

USB Type-C 连接器外形小巧,在 8.3 x 2.5mm 的空间内实现了 24 个连接器引脚,具有很高的引脚密度,结构设计上还需要满足上万次的插拔应用。

相比早期版本的其他 USB 接口,Type-C 的 VBUS 引脚更容易由于异物或异常插拔与相邻引脚发生短路。由于 VBUS 的电压典型可能高达 20V ,与低压引脚之间(如CC、SBU、Tx/Rx 等)发生短接会造成严重后果。其次,Type-C 应用的电源路径需要具有大电流通流能力,对潜在的负载短路、过电流等危险做出有效防护。此外,作为电子设备的外接接口,ESD 和浪涌的侵害必须从系统层面加以重视,热插拔等原因造成的过电压也必须加以考虑。

总之,USB Type-C 功能强大,但在产品开发中,系统层面的鲁棒性设计也面临着诸多挑战。

USB Type-C 接口全方位保护方案

豪威集团旗下韦尔半导体针对 USB Type-C 应用推出了全面的解决方案。在确保不牺牲高功率、高速数据传输性能的前提下,为接口提供安全、可靠的防护,帮助设备制造商有效降低产品返修率,提升产品品质。

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图2 笔记本电脑 USB Type-C 接口功能框图

保护方案由三颗器件组成(对应 图2 橙色部分),分别为 WS4684C-15/TR ,WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 。

01、WS4684C-USB 功率开关

为了抑制可能的高压浪涌,为充电接口提供可靠的保护,高性能的 OVP Load Switch 必不可少。WS4684C-15/TR ,支持 USB PD 的 20V/5A 规格,可实现笔记本电脑的快速、高功率充电。其 VBUS 等引脚可以持续耐受 29V 的直流电压。并且内部集成浪涌抑制电路,抑制能力高达 90V 。可对笔记本电脑等消费类电子产品的充电接口的功率通路起到高效防护,大大降低供电意外或消费者误操作对电子产品带来的损害。

主要应用:

USB Type-C VBUS 充电保护

特点及优势:

  • 2.5~20V 输入电压范围,最大电流 5A ,满足 USB PD 3.0 最高功率要求

  • 可编程过压保护,快速响应的反向电流保护,过温保护

  • 小型化,1.65 x 2.67mm , CSP-15L 封装

“如何全方位保护你的

“图3
图3 WS4684C 典型应用

02、WS4683C-USB 限流负载开关

笔记本电脑的 Type-C 接口通常需工作在 DRP 模式。出于对系统充放电的安全考虑,基于UL62368/CB62368 的安规要求,VBUS 通路需要具备输出过流保护功能。

WS4683C-16/TR 输出支持 5V (器件 VBUS 侧管脚直流耐压高达 30V),最大 3.3A 的持续电流。在保证芯片可靠性的前提下,支持 USB PD 3.0 要求的 FRS 快开启功能。内部还集成了静电泄放通路( IEC61000-4-2 Contact ±8KV ),减少了周边额外的保护器件,为制造商节省成本及 PCB 面积。

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图4 电流保护快速响应

主要应用:

USB Type-C VBUS 放电保护

特点及优势:

  • 400mA~3.3A 可编程过流保护

  • 快速响应的反向电流保护

  • 支持 USB PD 3.0 协议要求的 FRS 功能

  • 小型化,2.05 x 2.05mm ,  CSP-16L 封装

“如何全方位保护你的

“图5
图5 WS4683C 典型应用

03、WS3233Q-USB Type-C 保护开关

如前所述,由于 USB Type-C 接口的功率和信号引脚最小间距仅有 0.5mm ,用户实际使用中因异物等原因,VBUS 会有和周边引脚短接的风险,为低压信号引脚及相关电路带来隐患。

韦尔半导体推出的过压保护开关,WS3233Q-20/TR 信号通路具备高达 800MHz 的 -3dB 带宽,在不影响高速信号完整性的情况下,实现 24V 的过压保护能力。在一颗芯片上,高压和高速性能不再互相妥协。此外,WS3233Q 内部还集成了 D+D- 通道的 ESD 泄放通路,达到 IEC61000-4-2 Contact ±8KV 标准。单颗芯片在不影响高速数据传输的基础上,提供过压保护和静电防护的集成解决方案。

应用:

USB Type-C CC/SBU 保护

特点及优势:

  • OVP Short-to-VBUS:24V

  • 带宽 800MHz -3dB ,实现高耐压的同时,具有高带宽

  • 低静态电流,70uA

  • QFN3*3-20L 通用封装

“如何全方位保护你的

“图6
图6 WS3233Q典型应用

WS4684C-15/TR、WS4683C-16/TR 和 WS3233Q-20/TR 的组合实现了对过压、过流、过温、浪涌、ESD 等各种常见干扰异常的保护和抑制,是业界最完善的 USB Type-C 接口保护方案之一。

三片保护方案也同时带来了系统设计的最大灵活性,可以针对设备接口功能定义类型全部或部分使用,以节省成本。

来源: 豪威集团 OmniVision
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围观 200

一、USB PD快充标准重大更新

近日,通用串行总线(USB)标准组织USB-IF宣布修订USB PD协议3.1规范,将USB Type-C最大功率从100W(20V,5A)提升至240W(48V、 5A)。

同时,USB Type-C规范也更新了2.1版本,以定义240W电缆的要求,满足更大充电功率的应用需求。这是自2019年8月USB Type-C 2.0规范之后,USB标准组织对USB-C接口的机械电子特性做出的重大修订。

“USB

USB-IF组织更新的v2.1版本USB Type-C线缆和接口标准中,充电功率最高可达240W,并被命名为扩展电力范围(Extended Power Range),比起目前的最高100W高出一倍之多。不过,想要支持240W PD,需要全新的USB-C线缆。

“USB

新的USB PD协议规定了一个更加严格的充电协议,特别是功率在100 ~ 240W范围内的产品(相对功率更低)更加严格。

USB PD协议3.1规范新特点:

“USB

1)新增三种固定电压:

28V电压,用于100W以上;
36V电压,用于140W以上
48V电压,用于180W以上

加上之前定义的5V、 9V、 15V、 20V固定电压。

2)一种新的可调电压模式

可根据可用功率从15V到三个最大电压(28V、36V或48V)中的一个。

“USB

二、应用范围广,万物皆可充

USB PD3.1标准推动电源行业进入“万物皆可充”时代,让USB PD快充标准的适用范围越来越广泛。

“图片来源:充电头网"
图片来源:充电头网

比如对于游戏本、显示器这类设备而言,大部分充电电压都在20V以下,在应用USB PD3.1快充标准时,只需要在电脑输入端增加一个降压电路即可满足100W以上大功率充电的要求。

而对于电动工具、电动自行车、工业电源这类多串锂离子电池设备或者需要高电压供电的设备来说,由于多串电池组的高电压特性,可以直接通过USB PD3.1的拓展功率范围的电压与之适配。

USB PD3.1标准进一步提升了USB PD快充标准的通用性,电压和功率范围覆盖了笔记本电脑、显示器、电动工具、工业电源、服务器等产品,真正做到了“万物皆可充”。同时也将带来USB Type-C接口大一统的局面。USB Type-C接口的亮点在于更加纤薄的设计、更快的传输速度以及更强悍的电力传输。

“USB

得益于USB Type-C接口集成了数据、电源、视频、音频、网络等各种功能,目前已被广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式主机、显示器等智能硬件设备以及充电器、移动硬盘、耳机、U盘、移动电源、数据线、相机、剃须刀等众多配件产品中。

USB PD3.1标准将进一步拓展USB Type-C接口在显示器、服务器、电动工具、安防POE供电、直流电机等领域的应用。

三、QC快充与PD快充

目前主流的快充有两种,一种是高通主导的QC快充,另一种就是PD快充了。

“USB

QC快充

Quick Charge™ (QC)快充为高通公司所研发的快充技术,只要有搭载旗下晓龙™Snapdragon系统晶片的安卓手机,皆可使用其快充技术。除了支持多款采用晓龙™Snapdragon处理器的手机之外,也支持部分其他品牌的处理器。

“USB

USB PD快充

它是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范。该规范可实现更高的电压和电流,输送的功率最高可达240W,并可以自由的改变电力的输送方向。

“USB

从USB充电标准的发展历程可见,在USB PD快充标准发布之前,大部分设备都是通过BC1.2协议充电,充电功率也仅有7.5W,使用范围也仅限于手机、数码相机等产品,即使用于电池容量极小的功能机充电,通常也需要2-3小时才能完成。

直到USB PD2.0规范发布,规定了USB-C为标准接口,并实现了最大100W的快充功率,应用范围从传统的功能手机拓展到智能手机、笔记本电脑、部分显示器等产品领域。但不得不承认,7年前引以为傲的100W功率,如今已经成为了限制USB PD快充发展的短板。

USB PD3.1标准的推出,不仅将充电电压标准提升到了48V,输出功率也提升至240W,这也就让USB PD快充标准的适用范围加大不少。

四、总结

目前USB-C最高输出功率为100W,在笔记本电脑行业中,100W的功率仅能覆盖到大部分的轻薄本。虽然一些高性能游戏本也支持了PD协议,但只能用于充电,100W远不能满足显卡+CPU的功耗,而升级到240W后,基本可以满足大部分笔记本充电需求。这意味着以后携带一款充电器就可以满足手机、平板和笔记本充电需求,可以大大提升便携性,因此我们预测 Type-C新标会加速普及。不过,在新的规格标准下,用户需要新的USB充电头以及USB Type-C线才可以达到240W的充电功率。USB-IF表示,“所有新的EPR线材在外观上都应该拥有明显的标示。”要达到240W的标准,一条USB Type-C线材需要支持5A 50V的电压及电流。所以新标也会带动整个充电领域供应链的更新。我们会密切关注新标的发展,欢迎大家关注我们的微信号了解最新电源动态信息。

本文部分内容和图片来自充电头网。

围观 148

如果说最近的5G智能手机具有更大的屏幕、更大的锂离子电池容量和“快速充电(快充)”等特点,是表明着未来手机的发展,那么USB-C(USB Type-C)的PD 3.0规范,尤其是可编程电源(PPS),将成为USB供电的首选。

USB自1996年问世以来,在移动产品的数据通信、充电和供电的标准化方面提供了空前的领导地位。USB技术的最大飞跃发生在2013年至2016年,当时USB委员会集体批准了:

USB3.1 Super Speed + Gen 1(5Gbps)和Gen 2(10Gbps)数据通信

电源供电Power Delivery 2.0或PD,最高100 W或20 V / 5 A

Type C连接器(修订版1.2)

“图1:USB的演进"
图1:USB的演进

Type C连接器有24个触点(两排各12个触点),设计用以处理高达100 W、20 V / 5 A的电流,以非常紧凑的外形尺寸(仅2.4mm高度)提供可正反逆插的插头插入和附件方向检测,并承诺放弃我们都爱恨交加的传统电缆的纠缠“老鼠窝”。

100 W……真的吗?

从7.5 W充电(USB3.0)到100 W(USB 3.1)是个相当大的飞跃。也许有人会问,当大多数移动设备使用15 W – 45 W充电器就能正常工作时,谁真的需要100 W?然而,如果过去的情况能说明未来的趋势,那么明天的创新将比我们想象的更快吞噬100 W。

充电和供电很像供需经济学。这是一种共生关系,如果需求不增长,则供给不会增加,但如果供给不增加,需求就会停滞不前。 将USB供电功率从7.5 W提升至100 W,只是让更多的设备通过USB充电。

USB-C PD电力协议

在使用USB 3.1和Type C连接器之前,USB充电设备通过D +和D-端子上的非数据信令来识别USB充电端口。虽然此方法在高达7.5 W的情况下也能正常工作,但要在USB 源(source)和USB 接收端(sink)之间安全地提供高达100 W(20 V / 5 A)的功率,则需要一种更精密、更强大的方法。

总的来说,USB 3.1、PD 2.0和Type C连接器引入了一种双线、单线协议,横跨source和sink之间的CC线(图2),具有全面的消息传递功能。这种PD消息传递的一个用途是协商电力协议。电力协议很像从菜单上订购餐厅食物。在基于隐式协议(最大15 W)连接source和sink之后,如果两个端口都具有PD功能,则必须建立显式协议或PD 电力协议(最高100 W)。

“图2:USB-C
图2:USB-C / PD电力协议

所有合规的> 3 A Type C电缆都必须包含电子标记的电缆或emarker。因此,如果检测到电缆中的emarker,一个具有> 3A能力的源设备可能做的第一件事就是向emarker发送“发现身份(Discover Identity)”或SVID消息。Sources和Sinks在接收到消息开始时,会对一个SOP(数据包开始Start of Packet)做出响应。为了避免冲突,emarker在接收到消息开始时对SOP做出响应。

一旦Source了解到电缆是否具有> 3A的能力,它便会广告其V / I功能,就像餐厅的菜单一样。然后,sink请求源设备宣告的供电能力选项之一,类似于餐厅客户。如果请求是可接受的,则Source将提供商定的电力。每次发送消息时,消息接收方都会向消息发送方发送一条“ Good CRC”消息,通知发送方该消息已无误接收。

USB-C PD 2.0对比PD 3.0

PD 2.0允许最多7个功率选项(PDO),用于揭示source端口的电源能力或sink的电力需求,通过USB Type C、CC引脚在PD消息中传输。相比之下,PD 3.0、PPS提供图3所示的“电压和电流范围” PDO。PPS的优势在于,与固定PDO相比,sink可以更加精细的步进值来请求电压/电流。这有助于优化source和sink之间的充电效率。

“图3:PD
图3:PD 2.0 对比 3.0

5G智能手机电池尺寸

最近发布的一款5G智能手机配备6.9英寸大屏幕和5,000 mAh锂离子电池,相比之前的型号容量因而增加了25%。屏幕尺寸和5G都对电池尺寸的增加起到一定的作用。电池尺寸增加25%意味着需要AC-DC旅行适配器(TA)提供更多的电量,才能继续宣传“快充”功能。而USB-C PPS是实现这一功能的首选。

快充

传统上,锂离子充电在0.7充电速率(C-rate)下安全完成(C-rate简单指充电电流除以电池容量)。例如,0.7 C-rate的充电电流对1,000 mAh电池来说是700 mA。但是,通常情况下,将一块空电池从0%充电到50%的充电状态(SoC)约需45分钟(图4)的充电时间(TTC)。这并不是那么快,而且,您不能简单地增加电流来改善TTC。当一个电池的数据表上写明它的充电为0.7 C-rate时,以1 C-rate充电会导致电池过早老化,或可能导致永久性损坏。而根据其数据表,锂离子电池在使用至少500次后,必须保留至少80%的原始容量。

更快的充电时间(TTC)意味着更多的电量

为了改善TTC,电池制造商正在设计大于1 C-rate的充电电池,或更快的充电。这主要需要降低电池的内部阻抗,以延长充电曲线在电池电压达到最大电压和充电曲线转换到恒压(CV)模式之前保持在恒定电流(CC)模式的时间(假设您从空电池开始充电)。如图4所示,0-50%的SoC TTC,以1 C-rate充电可比0.7 C-rate充电缩短15分钟,如以1.5 C-rate充电则更快,可缩短至22分钟。不过,5000 mAh电池的1.5 C-rate需要进行7.5 A充电和32.6W(4.35 V x 7.5 A)峰值充电功率。这在一个小空间里是很多的电量。

“图4:充电率与充电时间"
图4:充电率与充电时间

虽然不了解最近发布的5G智能手机内部的实际充电情况,但它确实配备了一个25 W PPS充电器,并接受45 W PPS充电器配件。如果您要使用45 W旅行适配器,并假设从墙壁到电池的能效在80%左右,则约有36 W电量进入电池。这与计算出的32.6 W所需的22分钟、0%至50% SoC的充电时间相差不大,如上图 4所示。

值得一提的是,由于USB-C连接器的最大电流为5 A,为了实现7.5 A IBAT,在5G手机内部的Type C连接器和电池充电器之间需要一个半压电荷泵(图5)。例如,TA可能输出10 V / 4 A,而电荷泵将输出5 V / 8 A(假设理想的功率损耗)。这有时被称为高电压,低电流(HVLC)。正如物理学告诉我们的那样,功率耗散为I2R,因此将功率从TA传输到手机(〜1米电缆),HVLC比低压大电流(LVHC)更具 “能效优势”。而随着Type C连接器的问世,USB-C PD将VBUS的最大电压从5 V提高到20 V,促成了HVLC的方式。

“图5:5G智能手机内部的半压电荷泵"
图5:5G智能手机内部的半压电荷泵

分析笔记本电脑PD 2.0的流量

您可能无法测量电池充电器和电池之间的实际5G智能手机的内部IBAT电流,但可使用Total Phase的PD分析器(sniffer)测量TA和5G智能手机之间的VBUS电压和电流(IBUS)。但在执行此操作前,您可在笔记本电脑和FUSB3307 60 W评估板(EVB)Source之间分析VBUS / IBUS 的PD 2.0,如图6所示。

在此演示设置中,笔记本电脑PD 2.0 sink和FUSB3307 EVB PD 3.0 Source之间使用一条5 A电缆。Total Phase分析器与FUSB3307 EVB和5 A电缆串联插入。连接后,FUSB3307 EVB以四个固定PDO和三个PPS(增强型)PDO的形式通告其source能力。笔记本电脑请求使用20 V / 3 A的固定PDO,但最多只需要1.5 A。FUSB3307接受笔记本电脑的请求,电力协议完成。在图7中,您可看到VBUS(红色)从5 V上升到20 V,随着笔记本电脑启动(从空电池开始),动态IBUS电流(蓝色)上升到〜1.3 A或〜30 W。

“图6:笔记本电脑演示"
图6:笔记本电脑演示

“图7:根据图6的设计演示,笔记本电脑的VBUS及IBUS"
图7:根据图6的设计演示,笔记本电脑的VBUS及IBUS

分析5G智能手机PD 3.0 PPS的流量

从图8和图9来看,将笔记本电脑换成5G智能手机,source换成100 W FUSB3307 PD 3.0 PPS EVB。5G智能手机最初请求并获得一个5 V固定PDO,但约7秒钟后,请求并获得一个PPS(3 V至21 V / 5 A)PDO。5G智能手机立即进入 “算法”,即每隔210毫秒,将其请求的电压(红色)从8 V递增到9.28 V,以40 mV的步长递增,同时在约7秒的时间内将电流(蓝色)从2 A递增(接收)到4 A。在整个充电过程中,5G智能手机持续与FUSB3307 source进行通信。

“图8:5G手机演示设置"
图8:5G手机演示设置

“图9:根据图8的设计所示,5G手机的VBUS
图9:根据图8的设计所示,5G手机的VBUS V/I

PPS电流限制(CL)警报

安全是供电(PD)的一个重要方面。在图10中,当5G手机将请求的电源电压(红色)从8 V增加到9.28 V时,请求的最大工作电流为4 A,FUSB3307 100 W source向手机发送一条“警报”信息:告知已达到4 A“电流限制”(CL)。

“图10:PPS电流限制警报(CL)"
图10:PPS电流限制警报(CL)

5G智能手机PD 3.0与笔记本电脑PD 2.0流量对比分析

笔记本电脑表现出的PD 2.0流量虽然有效,但相对简单。在连接的第一秒内,协商并授予了20 V / 1.5 A电力协议,没有观察到进一步的PD流量。带PPS的5G智能手机表现则完全不同。5G智能手机是精密算法的主控器,它不断地与FUSB3307 source通信,指示它更改其电压输出,因此5G智能手机巧妙地地提高其负载电流。实际上,PPS包括一个规定,在source和sink信息传递之间有一个最长15秒的“保持活动”时间。因此,在PPS运行中,source和sink在CC触点上一直保持恒定的数字通信。

5G智能手机/ FUSB3307在连接后60秒左右观察到峰值功率为37.68 W(9.6 V / 3.925 A)。这与以1.5 C-rate给电池充电所需的估计功率相差不大,或者说在电池上充电所需的功率为32.6 W,才能实现22分钟左右的快速TTC(0%至50% SoC)。

高效快充的“ A,B,C” ,以及PPS

5G和更大的屏幕在推动智能手机电池的增大,再加上客户对“快充”的期待,对旅行适配器的功率要求更高,达到45 W。然而,功率耗散的增加将以热量的形式跟随这种功率的增加。因此,能效变得越来越关键,这就是PPS的作用。

如果我们检阅图11的通用“墙到电池”锂离子充电框图,目标是通过PMIC为系统供电,并通过功率路径FET将1S电池从空充电量(〜3V)充至满电(4.35V)。无论采用哪种技术(开关、线性或旁路),如果电池充电器的输入电压(B)略高于其输出电压(C),或VBAT,则电池充电器总是会以更高能效工作。

而更复杂的是,VBAT总是一个流动目标,原因有二:

1)电池电压在由空到满的充电曲线中会上升,并且

2)电池电压随着异步负载的变化而升降。

为优化能效,旅行适配器的输出电压(A)需要由sink的MCU严格控制,现在MCU成为“充电算法主控器”。在通过电量计读取VBAT和检测电荷泵VOUT之间,MCU 策略管理器(Policy Manager)可通过CC引脚以20 mV的控制精度(PPS)严格控制带有PD协议消息的TA VOUT。

添加PPS后,移动设备现在可以更快、更安全、更高效地为更大的电池充电。安森美半导体的FUSB3307评估板支持5G智能手机的精密PPS充电算法。

“图11:高效快充的细节说明"
图11:高效快充的细节说明

带DC输入的FUSB3307评估板(EVB)

FUSB3307 EVB接受4.5 V至32 V的DC输入,并提供5 V 至20 V 的USB PD输出,符合PD 2.0和PD 3.0规范,包括可编程电源(PPS)。FUSB3307是基于状态机的PD控制器和Type C端口控制器。因此,不需要MCU或固件开发。没有固件也意味着防篡改,这在医疗应用中是有利的。只需将其焊入,它就可自主运行。FUSB3307状态机包括PD Policy Manager,并用FUSB3307 CATH输出引脚驱动Comp输入来控制安森美半导体的NCV81599降压升压。FUSB3307还自主控制VBUS FET。

“图12:带DC输入的FUSB3307评估板(EVB)"
图12:带DC输入的FUSB3307评估板(EVB)

带AC输入的FUSB3307评估板(EVB)

另外,FUSB3307可用作带有AC输入的PD 3.0 source。FUSB3307是基于状态机的USB-C PD 3.0端口控制器,通过FODM8801BV光耦合器,用CATH输出控制NCP1568 FB输入来调节VBUS(5 V至20 V)。同样,FUSB3307自主控制VBUS FET。

总结

PPS具备一切:功率、安全和高能效

USB-C / PD 3.0的极精细的V / I步进,高达100 W(20 V / 5 A)可编程电源(PPS),可实现更高能效,用于5G智能手机快充(0至50% SoC约22分钟)。PPS还实现 “从墙到电池”的控制回路架构,其中USB-C / PD sink通过Type C连接器的CC触点上的双向单线协议,采用智能从属旅行适配器,成为精密而安全的充电算法的主控器。PPS source在恒压(CV)模式(默认)或电流限制(CL)模式下工作,并在更改模式时用警报信息通知sink。5G智能手机采用PPS的事实清楚地表明,PPS是首选,并将持续。

来源:安森美半导体
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围观 27

作者:Daniel Leih

在过去的几年里,有许多文章都对USB-C连接器的优点交口称赞。除了它的万兆每秒(Gbps)带宽和交替模式视频功能之外,还有两个非常有价值的优点:可正反插的插头和智能大功率功能。可正反插的插头的价值显而易见:我们终于可以轻松接入设备,而不必翻转插头(通常需要两次)。然而,智能电源的存在让USB-C连接器变得非常实用。

USB始终可以持续供电(只需要5V电压和小于1.5A的电流即可满足需求)。由于之前的Type-A和Type-B的外形尺寸限制,使其只能为小型电子设备(如U盘或键盘)供电,或者为手机等涓流充电设备供电。随后推出了USB-C这种新供电(PD)标准,它允许发送方和接收方在5至20V的电压下协商最高100W的功率输出。这意味着,只需一个小小的USB-C插头便可为更多产品供电,包括外部存储设备、电话、个人电脑、电动工具、医疗设备和无数其他产品。利用100W的输出功率,您安装在电动汽车里的几乎任何设备都可以用USB-C端口充电(遗憾的是,汽车本身不行)。

如今,个人电脑和手机行业已在许多批量生产的终端系统中迅速采用USB-C。最值得注意的是,iPhone支持通过Lightning连接器供电,而安卓手机则在大多数新机型中采用了USB-C连接器供电。最初的USB-C和供电的设计十分复杂,涉及许多外部组件和软件配置工具。如今,半导体行业中新产品的发展从USB-C的设计中可见一斑。那么,现在将USB-C添加到您的产品中需要做什么呢?

USB-C PD设计需要什么?

在产品设计中,第一步都是定义所需的功能集。在具有供电的USB-C系统中尤其如此,因为支持PD功能会直接影响系统成本。PD本身增加了系统的成本,因此最终产品必须从供电功能中获益,以确保成本的合理性。 

USB-C用途广泛,并且支持除USB之外的其他数据类型,因此需要了解整个系统才能选择合适的USB-C组件。如果产品是存储设备或电池充电器,则无需为系统增加实现交替模式视频所需的成本和固件。相反,如果系统是连接到支持DisplayPort的笔记本电脑的显示器,则必须在设计中包含特定的端口控制器和组件。因为USB-C端口元件包括PD/USB协议、数据和电源,因此系统解决方案将包括USB-C供电端口控制器和模拟及电源组件。

一个最简单的USB-C应用是纯充电端口。在这种情况下,系统的设计目的是为与其连接的设备供电和/或充电。这类系统的一个例子是汽车上的后排充电口、电动工具电池或房屋里的壁式充电器。

图1:作为纯充电电源的USB-C端口框图

图1:作为纯充电电源的USB-C端口框图

在本例中,实现系统所需的主要“物料清单”(BOM)组件列表相对较短:

  • USB-C端口控制器——协商连接和电源协议。
  • 直流/直流转换器——将输入电压转换成PD协议需要的Vbus电压。
  • 负载开关——在插入时向Vbus提供5V电压,在建立PD协议后,连接适当的Vbus电压。有时会与直流/直流转换器结合使用。
  • LDO——调节端口控制器的电压,因为直流/直流可能需要提供5至20V的电压。
  • USB-C接口

本例中端口控制器的选择要求控制器能够处理其与连接设备之间的所有协议。现代独立控制器(如Microchip提供的控制器)至少包括以下功能:

  • 支持连接检测和控制的USB-C连接器
  • 符合USB供电规范3.0的MAC
  • 预编程供电固件
  • 支持所有标准供电配置文件(15/27/45/60/100W)
  • 集成降低BOM成本和设计复杂性的精选模拟组件。连接所需的示例包括:
    • 支持Rp/Rd切换的VCONN FET
    • 电量耗尽Rd端接
    • 针对过流情况的可编程电流检测功能
    • 针对过压情况的电压检测功能
  • 适用于应用的温度支持

因为这是一个纯充电的示例,因此不需要其他系统控制器。虽然有些供应商提供可编程器件,但纯充电解决方案的逻辑选择是预编程产品,没有软件要求,系统配置通过简单的器件配置脚(接地或Vcc连接)完成。只要控制器符合PD 3.0标准,用户就可以访问所有标准电源配置文件:15W/27W/45W/60W/100W。

对于直流/直流转换器,转换器类型的选择主要取决于输入电压。电源必须始终能够提供5至20V的输出电压,才能完全符合PD标准。对于具有24 VDC输入或电压大于20 VDC的系统,基本降压拓扑结构可以提供经济高效的解决方案。对于低压直流或离线交流供电系统,则需要采用其他拓扑结构。

图2给出了一个针对图1的修改示例。在这种情况下,设计人员选择了为数据传输提供USB2主机支持,因为其现有产品采用了一个原生支持USB2的单片机。请注意,端口控制器不需要任何与USB2数据路径的连接。无需额外组件,USB-C端口BOM与纯充电解决方案相同。如果MCU/系统控制器支持USB3,也可以通过简单添加USB3多路复用器来添加USB3(支持USB-C插头的正反插)。在本例中,使用独立的USB-C预编程端口控制器也是将单个USB-C端口添加到现有产品中的最简单解决方案。

图2:作为电源的USB-C连接框图(包含USB2数据)

图2:作为电源的USB-C连接框图(包含USB2数据)

USB性能架构的顶端是基于集线器的系统,如图3所示。基于集线器的设计提供了所有USB架构中最高的灵活性和性能,同时减轻了中央处理器的通信负担。这种类型的系统通常用于个人电脑坞站和显示器、汽车中心控制台以及任何需要多个USB连接的场合。和前面的示例一样,这种设计的第一步是确定功能集。在个人电脑使用案例中,视频信号很可能通过USB-C端口传输,这需要支持交替模式功能。因此,与上述纯充电或充电加USB数据示例相比,此示例的端口控制器必须能够支持交替模式功能,并且系统必须包含所需的电路,以管理通过交替模式通道传输的协议的方向和解析。

图3:基于USB集线器的基础架构,支持Type-A端口、Type-C端口和交替模式图3:基于USB集线器的基础架构,支持Type-A端口、Type-C端口和交替模式

图3:基于USB集线器的基础架构,支持Type-A端口、Type-C端口和交替模式

该系统中使用多端口“智能集线器”,可为设计人员提供更高效的系统级设计。虽然设计人员可以轻松购买一个功能更丰富的端口控制器并将功能分开,但使用集线器中的控制器作为端口控制器可以降低成本与处理开销。这在多端口系统中尤其如此,在这些系统中,数据移动或功率使用的协调非常重要。

此示例阐述了端口控制的一个改进形式,随着越来越多的控制器和处理器中带有USB-C功能,这种形式变得越来越普遍。所有USB-C控制功能(如端口策略管理、供电、交替模式支持和布告栏支持)都位于集线器内。在这种架构中,独立端口控制器被收发器取代,收发器包含USB-C接口的物理层,类似于以太网的设计方式。

为了支持交替模式功能,该设计包含一个外部交叉开关多路复用器,可将视频数据重定向到DP连接器以支持外部显示器。该系统还展示了当今系统中常见的USB-A和USB-C连接器的实际组合。

为了解决当前对数据和网络安全日益关注的问题,该设计还包含一个安全IC,允许对系统固件进行安全更新。Microchip的ECC608A等高度安全器件允许设计人员通过使用NIST、SHA-256和HMAC散列以及AES-128加密来确保代码的安全性,甚至连制造商也不知道所有者的密钥。

上述系统BOM示例的新增内容包括:

  • USB多端口智能集线器——包含控制器和多个USB连接。
  • 交叉开关多路复用器——将各种数据通道转移到不同的位置。
  • DP连接器——连接到视频显示器。
  • Type-A连接器
  • Type-A电源
  • 安全IC——允许更新集线器的安全代码。
  • 每个端口的USB-C收发器 
  • 每个USB-C PD端口的直流/直流转换器

使用具有集成供电的USB智能集线器还可以实现其他系统级功能。包含HostFlex技术的高级系统(其中任何Type-C端口都可以成为系统主机)让用户无需考虑连接的端口即可接管显示和输出功能,从而提供了更高级别的灵活性和功能。利用功率平衡,还可以通过了解系统可用的总功率并执行用户定义的功率分配算法来提高系统的灵活性。用户可以根据连接顺序、设备类型、连接的设备数量或这些条件的某些组合来决定是否供电。实现这些功能的技术是Microchip智能集线器,它可协调所有并行USB-C PD端口连接的平台级管理。在Computex 2018上,Microchip展示了可在带有集成PD的最新系列USB 3.1多端口智能集线器上实现的系统级功能,如HostFlex、多主机(并发主机功能)和功率平衡。

总结

USB-C是一种最终使多种类型的数据和多种功率级别在单个连接器中共存的连接器。使用智能集线器设计可以轻松实现HostFlex和功率平衡等高级系统功能,而基本充电电路可以通过简单和可配置的端口控制器来实现。未来的设备将继续提高集成度并降低实现难度。

设计人员不必为将USB-C添加到其设计中的任务担心,因为半导体公司(如Microchip)正在生产独特且功能强大的端口控制器、收发器和配套的直流/直流转换器,以及简化设计工作和降低风险所需的支持。

参考资料

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TI控制器可在双端口和单端口应用中实现更高功率

2018年9月18日——德州仪器(TI)近日推出了两款新型USB Type-C™和USB电力输送(PD)控制器,具有完全集成的电源路径,可简化设计,最大限度减小解决方案尺寸并加快产品上市速度。TPS65987D和TPS65988为系统设计人员提供了业界最高集成度,可降低设计复杂性和总成本。如需了解更多信息,敬请访问 http://www.ti.com.cn/TPS65987D-pr-cnhttp://www.ti.com.cn/TPS65988-pr-cn

这两款器件是业界首款能够分别提供100 W和200 W功率的USB PD控制器,支持计算应用,并可在其他应用中,如无线电动工具、游戏和虚拟现实耳机等,实现USB Type-C™的优势。TPS65987D是一款单端口器件用于提供100 W功率,内部集成了独立的20-V、5-A拉电流和灌电流负载开关。TPS65987D具有低RDS(on)(25mΩ)和反向电流保护,可为端口充电需求管理提供全面的解决方案。双端口TPS65988可以提供200W的功率,以及两个集成的5-A双向负载开关和外部电源路径控制,以同时实现5-A的供电能力。

这些器件均经过USB PD 3.0认证、UL认证和国际电工委员会(IEC)安全认证,并经过预编程,可支持多种最常见的用例,包括DisplayPort™和Thunderbolt™应用。通过易于使用的配置工具可支持其他用例。

TPS65987D和TPS65988的主要特性和优势

  •   组件数量更少,设计更简单:与通常需要18个外部电源路径组件的离散实现相比,完全集成的USB PD控制器可帮助设计人员降低设计的复杂性。此外,新型控制器还可为多个电源路径提供集成的反向电流保护,以进一步节省电路板空间并保护系统和控制器免受过流影响。

  •   业界最高功率水平:200W功率实现了快速的USB Type-C™充电,两个集成的5-A场效应晶体管(FET)路径使其能够支持笔记本电脑、扩展坞或连接外设等高功率应用,同时保持低RDS(on),以最低功耗实现高效充电。

  •   配置简单:无需进行固件开发,因为每个器件都针对最常见的用例进行了预配置,从而可以快速轻松地进行选择和实施。

TI的USB Type-CTM优势

作为USB开发者论坛的创始成员,TI在发布高性能的USB兼容产品方面拥有20年历史。TI为设计人员提供了无与伦比的资源和专业技术,包括硬件设计实例、德州仪器在线支持社区和培训内容。

封装和供货情况

这两款器件均采用7mm×7mm分割垫、方形扁平无引脚(QFN)封装,现可从TI商店和授权分销商处购买。

了解有关TI USB Type-CTM产品组合的更多信息

围观 266

意法半导体推出STUSB4500独立式USB Type-C 输电控制器。集供电和充电为一体的标准USB-C接口兼具便利性和环境效益。如今STUSB4500将把这些优势延伸到到各类消费、工业和医疗产品。

STUSB4500是一款通过相关行业认证的独立式USB PD控制器,专为使用一条USB-C线缆供电的受电端应用优化设计,用户可以按照自己的应用方案轻松地自定义STUSB4500的设置。

根据存放在内部非易失性存储器内的默认电源配置文件(PDO),STUSB4500控制器会执行意法半导体独有的算法,与供电设备协商输电协议,无需任何内部支持(自动运行模式),这使其成为自动大功率配置文件充电的理想选择,特别适合给无电量的电池充电的情况。然后,应用处理器可以选择动态修改STUSB4500的电源配置文件,强制发起另一次输电协商对话。

STUSB4500支持多个选项,以管理多个输入电源通道和不相关电源。在内置这款控制器后,许多15W 至100W的便携设备可以用一个标准的USB Type-C接口取代专用充电器。这些设备包括玩具、电动工具、吸尘器、办公设备、灯具、智能扬声器、医疗设备等。

STUSB4500还可以让通过一条电源线连接交流电源的小家电等电器以低廉的成本变成直流电设备,从而实现简化产品设计、缩小尺寸、降低重量的目的,还可以选择将其变成电池供电的无线电器。

通过STUSB4500控制器将设备升级到USB输电,设备可以省去单独专用的充电器和电源,提高使用和携带的便利性,减轻每次产品升级后废旧电器带来的环境压力。STUSB4500控制器还可以实现更灵活的充电选项,包括快充或给5V以上的电池组充电。

STUSB4500现已正式投产,采用4mm x 4mm QFN24封装。从7月中旬起,用户可以申请尺寸更小的晶圆级封装的工程样片。

详情访问 www.st.com/stusb4500-pr

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行业领先的IPX8等级防水性能为严苛环境中的设备提供保护

TE Connectivity (TE)今天宣布推出全新防水型板上USB Type-C 插座连接器,以行业领先的IPX8等级的防尘防水性能,为严苛环境中的设备提供保护。该连接器的防水性能达到IPX8等级,能够在水下1.5米保持至少30分钟的可靠连接,可广泛应用于可穿戴设备、智能手机、家电、医疗设备及车载信息娱乐系统。

TE的防水型USB Type-C连接器不但拥有IPX8等级防水性能,还提升了电磁干扰(EMI)屏蔽性能,其增强型电路板保持功能能够提高耐用性。TE的USB Type-C连接器产品组合支持USB 3.1,数据传输速率可达10 Gbps,并可在5A电流条件下支持100W功率应用。作为当前及未来USB应用的下一代解决方案,TE的USB Type-C连接器设计满足行业标准,外形纤薄、小巧、具有很高的强度,不但适用于移动设备,也适合各类工业应用。

TE产品管理总监Barbara Grzegorzewska表示:“这款防水型USB Type-C连接器是一款颠覆性产品!一直以来,TE USB连接器都树立了可靠和高性能的行业标准。此次新推出的IPX8 USB Type-C产品组合具有业界领先的性能,提供更出色的高速连接解决方案,以适用于客户在严苛环境下的应用。”

这款防水型USB Type-C连接器提供可翻转的插接接口,插座可从两个方向插入,实现轻松可靠的插接。它支持多种不同协议,可利用适配器后向兼容HDMI、VGA、DisplayPort以及USB Type-C端口的其他连接类型。

有关TE新款防水型USB Type-C连接器的更多信息,敬请访问: www.te.com/Waterproof USB Type-C

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