如何在有电和无电的情况下启用USB-C电源交换

电源

在本文中，我们将讨论具有和不具有PD的USB-C电源交换所需的主要功能。
USB Type-C可实现尺寸小的可翻转连接器。它将功率能力扩展到15 W，从而允许电源动态管理电流从0.5 A到3A。数据速度已提高到10 Gbps。
此外，USB-C支持USB供电（PD）—一种单线协议，可让设备创建合同以为每种应用提供最佳功率。借助PD，USB-C可实现高达100 W的可议价功率。
在本文中，我们将研究具有和不具有PD的USB-C电源交换所需的主要功能。我们还将看一下MAX77958，它是Maxim Integrated公司最近发布的USB-C PD控制器。

无PD电源交换要通过USB-C连接进行电源传输，我们首先需要指定端口的电源角色。端口可以是源，宿或双角色电源（DRP）。顾名思义，一个电源通过VBUS线路提供电源，而一个接收器从该线路接收电源。
DRP可以充当源或宿。为了指定电源角色，源极通过Rp电阻拉高其CC线，而漏极则通过Rd拉低这些线。没有PD的USB-C源到宿连接如下所示。

USB Type-C信号源在不供电的情况下可沉入的框图。图片由Richtek提供
注意源极和漏极端口上的上拉和下拉电阻。
我们还需要指定源可以提供的功率电平。如果没有PD，则VBUS的固定电压为5V。但是，根据所使用的USB版本，可能会有不同的电流水平，包括500 mA，900 mA，1.5 A和3A。因此，没有PD的最大功率为15W。
当下拉电阻具有固定值时，采用不同的上拉电阻值来指定电源可提供的电流水平。接收器监视CC线路电压以检测由源通告的电流水平。
只有在检测到源到宿连接（冷插拔）后，USB-C才在VBUS线上提供5 V电压。因此，如上所述，5V电源轨需要MOSFET开关。此外，电源应包括过电流保护电路，以防止接收器吸收的电流高于电源可提供的电流。
VBUS放电机制是应该包括的另一个功能。在某些情况下，我们需要快速为VBUS线路放电，例如，当电缆断开连接或接收器要求VBUS上的电压较低时（在实现带有PD的USB-C时可能需要后者）。USB-C规范要求在移除散热器后的650毫秒内使用源到放电VBUS线。
请注意，我们可以使用带有DRP端口的USB-C非PD应用程序。在这种情况下，端口应能够将CC线连接到上拉或下拉电阻。

与PD进行电源交换USB电源传送（PD）是一种电源交换协议，旨在满足耗电应用的不断增长的需求。USB PD允许VBUS电压在最大电流5 A（最大功率100 W）下增加至20V。可以基于PD规范中的以下功率曲线提供不同的功率水平。

PD配置文件。图片由德州仪器（ti）提供
使用PD时，支持四种不同的总线电压-包括5 V，9 V，15 V和20V。PD规范高达60 W，最大电流设置为3 A，仅允许通过增加VBUS电压来使电源增加功率电平。但是，超过60 W时，如果需要，可以允许源将电流水平增加5A。
另外，请注意，电源应能够提供低于其最大功率水平的所有电压和功率水平。例如，如果一个信号源的最大功率为45 W，则它应能够在3 A的电流下提供15 V的电压。9 V在3 A; 以及在3 A时为5 V的情况。引入此规则是为了确保高功率源也可以支持较低的散热器。
与PD的USB-C源到宿连接如下所示。

USB Type-C信号源随功率传输而下沉的框图。图片由Richtek提供
内置稳压器以提供所需的VBUS电压。使用PD，可以通过VBUS线路传输更高级别的功率。这要求具有用于VBUS线路的专用栅极驱动器的高功率MOSFET开关。
PD规范要求在源和宿之间进行通信以选择适当的功率电平。这些通信始于接收器对源功率功能的请求。
在源提供其支持的功率电平的列表之后，接收器请求合适的功率电平。然后，信号源将VBUS电压调节至所需值，并将“电源就绪”信号发送回接收器。如上框图所示，所有这些PD通信都是通过CC线执行的。
PD应用程序应包含的另一个功能是防止连接器引脚之间的短路。带PD的USB-C具有更高的引脚密度和更高的功率水平。结果，引脚之间更容易发生短路，并可能带来更大的灾难性后果。
为了解决这个问题，许多USB PD控制器在接口的某些引脚上采用了VBUS短路保护。

Maxim Integrated的新型USB PD控制器USB PD控制器的一个示例，可防止Maxim Integrated最近发布的MAX77958的连接器引脚之间发生短路。此USB PD控制器支持接收器，源和DRP配置。该设备的默认固件支持USB-C版本1.3，但可以进行更新以用于将来的规范修订。MAX77958的典型应用图如下所示。

MAX77958的简化框图。图片由Maxim Integrated提供
MAX77958兼容PD 3.0，并支持事件的可定制操作。它可以检测水分并防止USB-C连接器上的腐蚀。新器件支持高压VBUS（28 V）和CC引脚上的VBUS短路保护（22 V）。它采用了可编程电源（PPS）和快速角色交换（FRS）功能。
该IC采用3.10 mm x 2.65 mm，0.5 mm间距的晶圆级封装（WLP）。