支援PD功能的Type-C直通裝置設計考量

作者 : Arun Pappan和Martin Tan,FTDI Chip主任工程師

有許多潛在的方法可以用來設計充電直通(pass-through)裝置。其原理是充電器的電力通過埠2傳輸到埠1,為連接的硬體(如筆記型電腦)充電。然而,這可以透過多種不同的管道實現...

USB電力傳輸(Power Delivery:PD)透過大幅擴展USB介面協定的電源能力,增强了其適用範圍——可以支援高達100W的系統。隨著數據的傳輸,現在可以為電子/電氣設備提供更大的電力,而只需要使用一根電纜,因而能夠降低所使用的空間和安裝成本。USB PD意味著電源方向不再固定。根據具體情況,設備可以作為受電端(從VBUS獲取電力)或供電端(透過VBUS提供電力)。裝置可以利用PD規範來實現高功率應用,對連接的硬體進行列舉,之後就可以提供必要的電力。充電直通(pass-through)裝置就是一個例子。

設計目標

有許多潛在的方法可以用來設計充電直通裝置。其原理是充電器的電力通過埠2傳輸到埠1,為連接的硬體(如筆記型電腦)充電。然而,這可以透 過多種不同的管道實現,而且每種管道都有其特定的優缺點。

vSafe5V的實現

在本節中,我們將介紹兩種可用於實施vSafe5V的不同設計方法。在其中一種設計中,vSafe5V也從埠2直通傳輸,而在另一種設計中,vSafe5V是由內部產生的。

 

1:透過埠2實施vSafe5V充電直通的示意圖。

1中描述了從埠2直通傳輸的vSafe5V。當連接硬體要求更高的電源設定檔時,埠2將協商相同的設定檔。一旦埠2完成協商過程,埠1將通知筆記型電腦電源已就緒。

這種方法的主要優點是保持了設計的簡單性,但必須使用內部5V產生器。然而,這電路也有一些缺點。由於vSafe5V是直通的,因此電壓級和電流容量將直接取決於埠2電源。如果輸入電壓接近PD規格的下限(4.75V至5.5V),則vSafe5V可能會低於埠1側的規格。這是由於通過電路的電壓降引起的。需要注意的另一個缺點是,高電壓協商過程必須在埠2側經歷額外的協商步驟。這可能有點耗時,因此有可能超過PD時序規格的風險。

2:實施板載vSafe5V直通的示意圖。

另一個可用的選項是在板上產生vSafe5V,如圖2所示。在這種情況下,vSafe5V可以在完全遵循USB PD規範的情况下產生。這裡顯示的示例使用筆記型電腦的受電端功能,並確定連接裝置的最佳充電模式。然後通過埠2協商該設定檔,並在角色切換到埠1之前設定電壓級。一旦切換到埠1完成,它可以設定連接硬體要求的更高設定檔,因為充電設定檔已在埠2上可用。

這種設計佈局是有利的,因為可以預測vSafe5V的效能。原因是vSafe5V是內部產生的。此外,協商電壓不必在埠2進行重新協商,這將加快所經歷的周轉時間。不過,這種方法有一個明顯的缺點需要了解。此類設計不能用於某些主機,即在多個設定檔之間切換的主機。根據FTDI工程團隊測試各種主機和集線器後,在不同製造商之間觀察到實施電源協商的差異。

其他考慮因素

除了上面詳述的vSafe5V之外,在設計充電直通裝置時還需要考慮其他因素。其中包括:

  1. VBUS放電:由於充電直通裝置最初將作為受電端,因此工程師必須意識到VBUS放電的必要性。當裝置作為供電端並斷開連接時,它需要恢復到作為受電端的原始角色。同時,VBUS必須在指定的時間段內跨整個直通路徑放電。
  2. 電壓降:必須將整個直通路徑的電壓降降至最低。為了確保PD系統中的電源路徑以有效的方式運行,使用由直通PD裝置控制的負載開關。這種負載開關將包括通過電晶體(通常是帶開/關控制區塊的MOSFET)。由於PD的充電電流可能高達5A,因此必須記住負載開關中的汲極-源極導通電阻(RdsON)必須較低,如此所涉及的功率損耗就不至於太大,埠1處的電壓也能保持在PD規格範圍內。
  3. 突波電流限制:當充電器連接到埠2,充電裝置連接到埠1時,如果電容性負載切換到電源軌上,可能會產生突波電流。突波電流的大小將取決於電壓上升的上升時間和負載電容。陡峭的電壓斜坡將增加突波電流,並導致VBU中出現暫態下降。這可能會導致連接的硬體自行重置,必須要避免。除了影響連接硬體的功能外,這種情況還可能損壞或縮短負載開關組件的工作壽命。雖然大的負載電容會降低暫態電壓降,但也會增加突波電流。因此,必須對負載開關進行轉換率控制,以延長電壓斜坡的上升時間,並最佳化負載電容以限制VBUS中的湧入電流和下降。在負載開關上進行迴轉率控制的另一個好處是,作為過流保護措施(由於存在突波電流),可以防止充電器關閉直通裝置的電源,因為這顯然會導致PD充電中斷。
  4. 內部功耗:由於存在內部功耗,顯然還必須需要從充電模式中扣除一定的功率。在確定系統的運行參數時,需要考慮到這一點。

結論

具有直通能力的PD裝置整體設計目標是確保在各種USB PD主機或集線器之間順利連接和供電。如果工程師確認完全瞭解本文中討論的所有項目,那麼他們將能够實現這一目標。FTDI提供了支援USB PD系統開發所需的先進雙埠IC技術。該公司的PD IC可讓硬體從作為受電端切換至供電端,而不至於導致任何資料流程中斷。

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