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并連接到顯示器、音箱、存儲設(shè)備或耳機。利用 USB 功率傳輸（PD），之前分離的許多功能現(xiàn)在都可以集成到同一連接器上。USB PD 協(xié)議允許為發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備提供 5A 的電流。
對于某些應(yīng)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電源路徑可并聯(lián)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(shè)計和PD控制器的配置中都需要特別考慮。
硬件設(shè)計
在設(shè)計大電流系統(tǒng)時，需要考慮熱性能和效率這兩個具體的設(shè)計要素。我們來討論一下電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，市場上大多數(shù)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(zhuǎn)換器的直流輸出電壓為 19.5V至 20V。對于在 USB PD 協(xié)議中定義的 20 V USB PD，19.5 V 電壓是在允許的 5％誤差內(nèi)的。如果降壓控制器在外部場效應(yīng)晶體管（FET）上支持 100％占空比，則允許僅采用降壓電源架構(gòu)的設(shè)計。還可以與降壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)，增加一個旁路路徑，這將輸入電壓直接傳遞至降壓轉(zhuǎn)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(shè)計
對于這個具體的設(shè)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(zhuǎn)換器通過外部 19.5 V。市場上大多數(shù) USB PD 控制器都具有通用輸入/輸出（GPIO），用于控制外部穩(wěn)壓器輸出電壓。PD 控制器可以通過調(diào)節(jié)降壓的反饋網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整 LM3489 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
圖 1.DC/DC 可調(diào)反饋網(wǎng)絡(luò)。
圖1所示的架構(gòu)可用于輸出所有四個標準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(xié)議更高的電源電壓時，它會切換GPIO信號，打開反饋網(wǎng)絡(luò)中的n溝道FET（NFET），調(diào)節(jié)輸出電壓。啟用Q1時，反饋網(wǎng)絡(luò)會進行調(diào)整，使R2和R3與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇R3、R2時，R3與分壓器頂部的R1并聯(lián)會產(chǎn)生9 V輸出。啟用Q2時，反饋網(wǎng)絡(luò)會進行調(diào)整，使R2和R4與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇R4時，R2和R4與分壓器頂部的R1的并聯(lián)電阻產(chǎn)生15 V輸出。最后，啟用Q1和Q2時，R2、R3和R4均與分壓器頂部的R1并聯(lián)。選擇電阻值，產(chǎn)生20 V輸出。設(shè)計輸出大于 5 A 的系統(tǒng)時，旁路通路可以直接將AC/DC 輸出電壓傳遞給系統(tǒng)中的 VBUS FET。使用通過GPIO 控制的 PFET 旁路通路是一種實現(xiàn)此目的的簡單方法.
對于此應(yīng)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(gòu)使LM3489能根據(jù)所連接的設(shè)備產(chǎn)生所有標準USB PD的電壓。一旦交替模式（AlternateMode）啟動協(xié)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(tǒng)便能夠保持兼容，同時使高功率模式下的損耗更小。圖 2 重點說明了電源架構(gòu)-包括由背對背 PFET 組成的旁路路徑。當路徑禁用時，VOUT 側(cè) PFET 的體二極管會阻止 AC/DC 電源電壓泄漏到 LM3489 的輸出。協(xié)議并進入交替模式，會啟用外部 PFET 路徑。切換啟動引腳，并使用這種相同的 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(shè)計
USB PD 控制器對于實現(xiàn)前述討論的功能至關(guān)重要。它必須能夠控制 GPIO，并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。為了控制上一節(jié)中所述的 LM3489DC/DC，TPS65987D 使用真值表（表 1）中的兩個GPIO 來產(chǎn)生輸出電壓。
表1.GPIO控制真值表。
或者，如果系統(tǒng)的輸入電壓低于 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(jù) USB PD 協(xié)議，在其配置通道（CC）線路上帶有RD 的設(shè)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(tǒng)必須具有 VBUS FET 以滿足此協(xié)議。TPS65987D 有兩個高壓背對背集成 FET，可滿足此要求。TPS65987D 中的內(nèi)部 FET 在 25°C 環(huán)境溫度下的 RDS(on)約為 25mΩ。對于高電流應(yīng)用，此電阻可能太高。當 5 A 的電流通過其中一個內(nèi)部 FET 時，F(xiàn)ET中將消耗大約 750 mW 的功率。通過雙電源模式，TPS65987D 能夠同時并聯(lián)關(guān)閉其兩個內(nèi)部電源路徑。這種模式有效地將電源路徑的 RDS(on)減半，并且還使FET 內(nèi)部的功耗減半。圖 3 重點說明了 PD 控制器如何與此電源架構(gòu)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(yīng)用有著非常嚴格的功率預(yù)算。高RDS(on)VBUS FET會阻礙USB Type-C在某些應(yīng)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了這一問題，從而可以在以往從未考慮過的領(lǐng)域使用USB Type-C。
VBUS電源路徑保護
當設(shè)計一個高功率系統(tǒng)時，保護用戶和系統(tǒng)免受可能在電源路徑上發(fā)生的任何有害事件至關(guān)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(tǒng)的其余部分。
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(shè)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。然后將電流檢測放大器的輸出饋入比較器，該比較器會觸發(fā) 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(shè)置比較器后，就無法調(diào)整過流跳變點。如果 VBUS對地短路，那么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并斷開 FET。
與過流保護一樣，實施反向電流保護，可以保護系統(tǒng)免受不合規(guī)USB PD設(shè)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(xiàn)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(shè)計因素。一個集成了電源路徑和保護的USB PD控制器可以節(jié)省設(shè)計時間，因為所有保護均已集成。這使您可以專注于設(shè)計的其他方面，而無需考慮外部電源路徑和離散保護的設(shè)計。
圖4重點說明了在具有適當保護的電源路徑的VBUS對地短路期間會發(fā)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并立即斷開FET。VBUS對地短路保護必須通過硬件比較器作為固件來實現(xiàn)。固件實現(xiàn)無法足夠快速地做出反應(yīng)以保護電源路徑和系統(tǒng)，這種電源路徑快速關(guān)斷可在發(fā)生硬短路時保護系統(tǒng)和FET。
如果系統(tǒng)沒有得到適當?shù)谋Ｗo，可能會損壞 DC/DC 和VBUS FET，系統(tǒng)甚至可能會變燒毀。電源發(fā)送端始終根據(jù) USB PD 協(xié)議負責過流和短路保護。TPS65987D可以防止這些事件的發(fā)生。有關(guān)通過 TPS65987D 實現(xiàn)的各種保護的更多信息，請參閱應(yīng)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(shè)計
實現(xiàn)一個可在 USB Type-C 連接器上接收電源的設(shè)備要比發(fā)送設(shè)備更簡單。接收設(shè)備不需要實施任何過流保護，因為它依賴于電源發(fā)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。由于系統(tǒng)中唯一的電源是 VBUS，因此電池耗盡模式可以使您設(shè)計一個完全由 VBUS 供電且不需要任何外部電源的系統(tǒng)。當您的設(shè)備電池完全放電時，電池耗盡操作使整個系統(tǒng)能成功啟動，并開始為電池充電或為系統(tǒng)供電，而不依賴于外部電源。
圖5重點說明了采用TPS65987D進行接收設(shè)備設(shè)計的簡單性。USB PD控制器會處理與發(fā)送端的協(xié)議，并相應(yīng)地啟用內(nèi)部電源路徑。當在發(fā)送端和接收端都使用TI USB PD控制器時，將兩個設(shè)備都置于雙電源模式下可進行大電流充電。雙電源模式會同時關(guān)閉兩個電源路徑，因此RDS(on) 會減半，且通過適當設(shè)計的電纜，高達10 A的電流可以從發(fā)送端流到接收端。
圖 5.USB PD 控制器中的并聯(lián) 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(shè)備和發(fā)送設(shè)備都配置為雙電源模式，且設(shè)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(yīng)將其用于大電流模式。USB PD協(xié)議規(guī)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(fā)送端設(shè)備進入雙電源模式時，它將同時并行關(guān)閉兩個電源路徑并生成 GPIO 事件，將電源配置為提供合適的電流。相反，當接收端設(shè)備進入雙電源模式時，它還會生成一個 GPIO 事件，向接收系統(tǒng)發(fā)送信號，表明它可能開始消耗大電流。重要的是，在兩個設(shè)備都配置為雙電源模式后，接收設(shè)備才開始消耗大電流。
結(jié)論
USB Type-C和USB PD使末端設(shè)備能夠在同一連接器上實現(xiàn)更多功能。USB Type-C將高速數(shù)據(jù)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(shè)備提供全面的連接解決方案。但對于所有想要轉(zhuǎn)移到USB Type-C的設(shè)計，5 A的電流不夠充分，對于這些特定的應(yīng)用，雙電源模式可使系統(tǒng)設(shè)計人員實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)電源設(shè)計，來縮短設(shè)計周期時間。通過集成電源路徑保護，您可以將設(shè)計重點放在系統(tǒng)的其他方面，而不必擔心電源路徑受損。 |
