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作者：Mohamed SAADNA，STMicroelectronics技術(shù)營銷工程師

發(fā)布日期：2023年1月19日

“歐洲每年出貨的便攜式設(shè)備充電器數(shù)量高達(dá)5億，產(chǎn)生的電子垃圾高達(dá)1.1萬至1.3萬噸，因此為手機(jī)和其他中小型電子設(shè)備提供通用充電器將會使所有人受益。這將有助于環(huán)境保護(hù)，進(jìn)一步促進(jìn)舊電子產(chǎn)品的再利用，為企業(yè)和消費(fèi)者節(jié)約資金，減少不必要的成本和不便。

這些話來自歐洲議會的Alex Agius Saliba，他建議將USB Type-C連接器作為一種新的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)充電接口，并減少電源適配器的使用。

根據(jù)受電設(shè)備的功率要求和USB Type-C Power Delivery的最新規(guī)范，在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)USB-C基本上有三種方法：

1.使用5V恒定電壓，最大功率15W，最大電流3A：在這種情況下，不使用Power Delivery協(xié)議，但仍需要一些保護(hù)措施來保護(hù)下游電路。這是“感受”這個強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)第一批好處的最簡單、最快捷的方法。

2.使用5V至20V之間的任意電壓，最大電流為5A：該方法能提供Power Delivery協(xié)議帶來的快充優(yōu)勢，如果使用可編程電源，還能減少充電設(shè)備的發(fā)熱現(xiàn)象 [3]。此功率范圍被稱為SPR，即標(biāo)準(zhǔn)功率范圍。

3.擴(kuò)展功率范圍“EPR”是USB-C Power Delivery標(biāo)準(zhǔn)的最新改進(jìn)，可提供高達(dá)240W的功率（48V，最大電流5A）。

在為受電設(shè)備選擇功率范圍后，設(shè)計(jì)人員會選擇符合要求的接口電路。

圖 1：USB-C連接器引腳布局（圖源：STMicroelectronics）

該接口電路將重點(diǎn)發(fā)揮兩個主要作用：ESD保護(hù)和USB-C PD合規(guī)。

ESD 保護(hù)

首先，它必須具有靜電放電 (ESD) 保護(hù)功能，以符合IEC61000-4-2 4級測試要求。所有可能從連接器產(chǎn)生外部靜電放電的引腳都需要ESD保護(hù)。

CC1和CC2引腳以及D+和D-引腳通常就需要ESD保護(hù)。這種ESD保護(hù)器件最好放在靠近USB-C連接器的位置。選擇雙線器件有助于減少PCB空間占用。

對于VBUS引腳，由于浪涌波形可能比ESD放電波形更長，因此浪涌保護(hù)裝置的規(guī)格必須更高。在這種情況下，最好使用按8/20μs 或 10/1000μs 浪涌波形指定的TVS，以避免下游電路遭受過大的電氣應(yīng)力。此外，在USB Type-C Power Delivery受電端設(shè)計(jì)中，VBUS路徑電容值應(yīng)介于1μF和10μF之間。

假設(shè)受電設(shè)備嵌入了射頻連接。在這種情況下，通過在D+、D-線路或SuperSpeed線路的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)中增加共模濾波器來提高射頻接收器的靈敏度是有意義的，這些線路在射頻接收器頻率（通常是藍(lán)牙或WiFi天線使用的2.4GHz或5GHz）內(nèi)更容易產(chǎn)生共模噪聲。

除了這些基本的EMC組件外，對于VBUS和CC線路，USB-C還需要特定的保護(hù)組件，無論電路的功率規(guī)格如何。

我們先從VBUS開始：有許多視頻顯示，由于電源適配器或USB-C電纜故障，第一批使用設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)腢SB-C接口的產(chǎn)品遭受了嚴(yán)重?fù)p壞。不幸的是，這種情況很可能再次發(fā)生，因?yàn)閁SB-C將在歐盟授權(quán)后得到普及。因此，無論應(yīng)用的電壓是多少：5V還是Power Delivery協(xié)議中的任何電壓，受電設(shè)備都必須保護(hù)自己免受電源或電纜缺陷的影響，因?yàn)樗鼈儠?dǎo)致向VBUS施加高于協(xié)商電壓的電壓。針對這種危險(xiǎn)，比較穩(wěn)健的解決方案是增加過壓保護(hù) (OVP)，當(dāng)達(dá)到理想情況下使用分壓電阻橋設(shè)置的閾值后就會觸發(fā)：無論VBUS上的電壓有多高，都能確保電子設(shè)備的完整性。

CC線路的額定最大電壓通常為6V DC。在使用USB-C連接器時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)從插座中拔出USB-C插頭時發(fā)生VBUS短路事件。這是由于連接器的腳距較?。?.5 mm），在插座中扭轉(zhuǎn)插頭時可能會將VBUS電壓施加到CC線路上。同樣，常見的最佳做法是在CC線路上設(shè)置過壓保護(hù)。此外，如果需要在SPR或EPR模式下使用USB-C Power Delivery協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)要求在CC線路上增加EMI電容，指定值介于200pF和600pF之間。

符合USB-C PD規(guī)范

然后，接口電路必須確保功能符合USB-C Power Delivery規(guī)范。我們要重點(diǎn)關(guān)注功能是否符合要求，而不是任何集成電路數(shù)據(jù)表中都能找到的規(guī)范中所定義的電壓和時序水平。

對于設(shè)計(jì)者來說，這里的新功能是指被稱為“電池耗盡”(Dead-battery) 的模式，它允許在受電設(shè)備完全耗盡電量時使用快充協(xié)議。

那么它是如何工作的呢？當(dāng)USB Type-C供電電壓施加到兩條CC線路上時，“電池耗盡”模式基本上是下拉電阻Rd到GND或使用電壓鉗位。它被解釋為受電端請求接收5V的VBUS電壓。然后，供電端為受電端供電，受電端運(yùn)行Power Delivery協(xié)議，廣播其允許快速充電的功率信息。

明確了這些基本功能后，在制造USB Type-C受電設(shè)備時，就需要考慮兩種電路。實(shí)現(xiàn)方式的選擇直接影響到設(shè)備的成本。USB-C連接器及其復(fù)雜電路的成本往往是在電池供電設(shè)備中推廣這一解決方案的關(guān)鍵限制因素。

整個硬件解決方案由集成電路構(gòu)成，這些集成電路將為數(shù)量眾多的所有USB-C引腳實(shí)現(xiàn)USB-C Power Delivery控制器和所有高壓控制（對于受電端是OVP，供電端是OCP）。當(dāng)USB-C連接器主要用于筆記本電腦或臺式機(jī)時，這些集成電路是不同供應(yīng)商提供的第一種解決方案（傳統(tǒng)方案）。它們通常是一刀切的解決方案，不推薦用于成本敏感型設(shè)備。雖然存在成本更低的集成電路，但它們并不完全符合最新的USB-C Power Delivery規(guī)范（如PPS）或保護(hù)功能（如VBUS上的OVP）。此外，由于這些集成電路采用高壓硅技術(shù)，因此成本尚未充分優(yōu)化，這對于Power Delivery協(xié)議的邏輯集成來說并不理想。

圖 2：從全硬件架構(gòu)轉(zhuǎn)向基于MCU的高性價(jià)比解決方案（圖源：STMicroelectronics）

另一種解決方案是將這些純邏輯功能轉(zhuǎn)移到任何嵌入式設(shè)備中已有的集成電路：MCU。事實(shí)上，USB Type-C Power Delivery (UCPD) 協(xié)議在MCU中的成本比在高壓集成電路中更有優(yōu)勢，因?yàn)楦邏杭呻娐窙]有采用MCU那種更薄的光刻技術(shù)。所以VBUS通路和CC線路保護(hù)的高壓控制可集成到另一個更小的器件中，非常適合可用于Type-C端口保護(hù) (TCPP) 的受電設(shè)備。對于這種設(shè)備來說，只要滿足標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，就無需具備USB Type-C Power Delivery的所有功能。

采用后一種解決方案，新應(yīng)用可以在不犧牲成本的情況下從快速充電功能中獲益。

下面我們分兩步看一下第二種解決方案，首先是具有UCPD功能的MCU，然后是TCPP。

圖 3：用于USB-C Power Delivery統(tǒng)包解決方案的STM32+TCPP功能（圖源：STMicroelectronics）

部署USB Type-C Power Delivery的全部功能可能需要不同領(lǐng)域的專業(yè)知識，比如有線連接、電源管理、數(shù)據(jù)通信和身份驗(yàn)證。STMicroelectronics STM32 MCU符合最新的USB PD r3.1規(guī)范。它們簡化了USB PD在嵌入式系統(tǒng)中的部署，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的應(yīng)用功能。最新的STM32 MCU系列，如STM32G0、STM32G4、STM32L5和STM32U5系列，都內(nèi)置了經(jīng)過認(rèn)證的USB PD控制器 (UCPD)。STM32G0是唯一內(nèi)置2個UCPD控制器的系列，優(yōu)化了采用雙USB-C連接器的應(yīng)用的成本。UCPD外設(shè)現(xiàn)在可視為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，就像I2C或ADC一樣，未來將在新的STM32系列中出現(xiàn)。

不使用USB-C PD時，只要CC線路下拉時的值正確（CC1和CC2線路通常為5.1k，兩條線路不得連接），任何MCU都可以使用。

但是，要享受USB-C PD帶來的快速充電優(yōu)勢，MCU帶有UCPD，用其配套芯片TCPP來處理高壓控制和保護(hù)是最佳選擇。對于電池供電設(shè)備（通常是受電設(shè)備），STMicroelectronics TCPP01-M12為外部N溝道MOSFET集成了柵極驅(qū)動器，用于VBUS過壓保護(hù)，并使用分壓電橋設(shè)置外部可調(diào)OVP閾值。此外，它還在CC線路上提供系統(tǒng)級IEC61000-4-2 4級ESD保護(hù)，確保連接器引腳可承受最高+8kV的接觸放電。此外，這些CC 線路上的兩個集成FET將保護(hù)它們免受VBUS短路事件的影響。這兩個器件設(shè)計(jì)為在電池電量耗盡時完美配合：當(dāng)STM32掉電時，TCPP01-M12會在CC線路上廣播自己的Rd（電池耗盡）電阻，當(dāng)STM32重新上電時，供電端讀取CC線路上的電壓箝位并在VBUS上施加5V電壓后，TCPP01-M12會移除這些電阻。在正常情況下，只有檢測到USB-C電纜連接時，STM32才會為TCPP01-M12供電，以盡量延長電池壽命。這些都是使用其他解決方案難以實(shí)現(xiàn)的技巧。

使用STM32+TCPP01-M12組合芯片的主要好處是可以使用Nucleo擴(kuò)展板X-NUCLEO-SNK1M1來體驗(yàn)所有這些功能，感受Power Delivery協(xié)議的真正威力。值得高興的是，該擴(kuò)展板及其免費(fèi)軟件示例代碼X-CUBE-TCPP已通過USB-IF認(rèn)證（測試ID：5205）。

未來展望

您在設(shè)計(jì)受電設(shè)備嗎？STMicroelectronics已經(jīng)根據(jù)使用案例發(fā)布了一整套TCPP產(chǎn)品（TCPP02-M18為供電器件，TCPP03-M20為雙功能電源），并為每款產(chǎn)品提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的Nucleo擴(kuò)展板：X-NUCLEO-SRC1M1用于TCPP02-M18，X-NUCLEO-DRP1M1用于TCPP03-M20。每款擴(kuò)展板的軟件示例代碼均可免費(fèi)下載：X-CUBE-TCPP。

圖 4：助力USB-C Power Delivery解決方案開發(fā)的硬件和軟件工具（圖源：STMicroelectronics）

對于上面提到的每款硬件擴(kuò)展板，都有豐富的文檔可用于快速啟動USB-C PD項(xiàng)目，例如快速入門指南、數(shù)據(jù)表、用戶手冊和完整的應(yīng)用筆記列表。時間寶貴，您可以考慮使用AN5418：和AN5225：快速成為使用STM32 MCU實(shí)現(xiàn)USB-C Power Delivery的專家。