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USB Type-C电源管理设计方案

关键词:USBType-C接口 电源管理设计

时间:2023-07-14 10:32:13      来源:网络

如今,带有USBType-C接口的应用和便携设备越来越多见。USBType-C(也称为USB-C)连接器优点很多,如体积小、易于使用、功能多样等,而且可支持多种协议,例如USB3.1、DisplayPort、HDMI和USBPD。USB实施者论坛(USB-IF)发布的USBType-C指南被称为USBType-C电缆和连接器规范,其中概述了可以实现其多功能性的USBType-C标准。本文将讨论USBType-C规范,以及如何设计简化的供电解决方案,以满足必要的便携式设备和配件应用供电要求。

如今,带有USBType-C接口的应用和便携设备越来越多见。USBType-C(也称为USB-C)连接器优点很多,如体积小、易于使用、功能多样等,而且可支持多种协议,例如USB3.1、DisplayPort、HDMI和USBPD。USB实施者论坛(USB-IF)发布的USBType-C指南被称为USBType-C电缆和连接器规范,其中概述了可以实现其多功能性的USBType-C标准。本文将讨论USBType-C规范,以及如何设计简化的供电解决方案,以满足必要的便携式设备和配件应用供电要求。

USBType-C规范定义了四对电源引脚用于供电,以及两个CC引脚用于检测设备状态。它定义了两个潜在电源:VBUS和VCONN。VCONN引脚没有特别的规格,因为其电压总是在3V和5V之间;但VBUS的电压范围较宽,必须符合不同的协议,如USBPD。在USBPD协议下,VBUS电压可高达20V。为了在电压激增时保护连接的设备,USBType-C电缆和连接器规范要求连接到VBUS的引脚要能够承受高达21V的电压。

对有带电标记的USB电缆,VCONN和VBUS都可以提供电源。如果VCONN可用而且能被检测到,则连接的设备由VCONN供电。如果移除了VCONN,则设备由VBUS供电。为了监测这两种电源路径的可用性,系统需要一个O型环路来检测电源变化。图1显示了一个传统的O型环路。该电路有四个I/O引脚、两个电源输入引脚(VIN1和VIN2)、一个输出电源引脚(VOUT)和一个选择引脚(SEL)。当SEL引脚接收到信号时,内部逻辑控制器会产生两个控制信号来选择来自VIN1或VIN2的电源路径。


图1:O型环路

我们举例说明USB Type-C 电缆的一种应用,将VBUS 连接到 VIN2,VCONN 连接到 VIN1。当 Q2 导通而Q1 关断时,在VIN2到 VIN1 之间会因MOSFET 体二极管产生电流 (IS)。在这种设置下,VBUS 电压可能高达 20V,这意味着任何连接到 VIN1的设备都可能被损坏。

要解决这个问题,应采用四个 MOSFET(两条路径各有一对背对背 MOSFET )来实现最佳 O型环路(参见图 2)。该电路使用两个 MOSFET作为一个开关。由于这两个 MOSFET 的体二极管方向相反,因此无论哪一个开关(开关 1 或开关 2)导通或关断,都不会产生漏电流。

使用四个 N 沟道 MOSFET(Q1、Q2、Q3 和 Q4)创建两个开关,并构建一个 O 型环路,可以实现两个电源引脚(VIN1 和VIN2)的快速瞬变,同时可以通过 SEL 引脚选择电源路径。


图2: 集成背对背MOSFET的O型环路

MPS 的MP5461就是一款将这种类型的 O型环路集成到其设计中的变换器,它在测试时表现优异(参见图 3 和图 4)。当 SEL引脚从低电平切换到高电平,且电源引脚从 VIN1 切换到 VIN2 时,VOUT均保持出色的输出电压稳定性,不会出现高浪涌电流或电压过冲。当电源引脚从 VIN2切换到 VIN1 时,表现亦是如此。


图 3:电源从 VIN1 切换到 VIN2-图 4:电源从 VIN2 切换到 VIN1

USB Type-C 电缆和连接器规范明确定义,由VCONN 供电的设备以及大多数具有带电标记的IC都需要3.3V 或5V电压。为确保稳定的输出,无论输入电压高于、等于还是低于输出电压,都需要使用升降压(Buck-Boost)电路来处理。采用四个 MOSFET构建升降压(Buck-Boost)电路可提供更快的瞬态响应和高效率。为了平衡空间与效率要求,可以采用两个P 沟道MOSFET 和两个N沟道 MOSFET来构建升降压(Buck-Boost)电路。

USB Type-C 电缆和连接器规范为 USB Type-C电缆提供的参考设计,其电子设计空间有限。在较小空间内进行设计的最有效方法是利用高度集成的电源解决方案。

而MP5461 就提供了一种高效且节省空间的电源解决方案,可以满足以上建议条件。其集成O型环路由总共八个 MOSFET提供支持,其中包含四个 N 沟道MOSFET ,以及由两个 P 沟道 MOSFET 和两个 N 沟道 MOSFET 构成的升降压(Buck-Boost)电路(见图 5)。


图5: MP5461功能框图

该器件还提供电源路径管理和多种保护功能,包括反向电流保护、过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP)、过热关断和欠压锁定 (UVLO)保护。它采用超小尺寸 1.4mmx1.8mm CSP 封装,可实现高达 93.8% 的效率(见图 6)。


图6: MP5461的效率与负载电流

结论

USB Type-C 电缆和连接器尽管体积小巧,但却用途广泛且功能强大,它提供两个源极(VCONN 和VBUS)并具有宽电压范围。为实现精巧、紧凑的设计,可靠地处理并监测USB Type-C 电压,强烈建议采用带 O型环路和升降压(Buck-Boost)电路的集成电源设备。带集成 O 型环路和升降压(Buck-Boost)电路的电路拓扑也同时适用于多输入电源应用,例如带USB 和电池输入源(例如锂离子电池输入)的应用。其理想解决方案不仅能够有效处理两种电压,而且还能将 O型环路和升降压(Buck-Boost)电路集成到单个器件中,以最大限度地减少占板空间和BOM 成本。具有高集成度和内置保护功能MP5416是具有差异化的电源设备,适用于带 USB Type-C 输入的配件产品,例如 USB Type-C 数字 AV 多端口适配器和 USB Type-C 转 HDMI 适配器。

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