USB充電器從Type-A升級到Type-C
USB 充電器正變得越來越普遍，并且似乎正在走向普及。它們已經(jīng)從只存在于我們的計算機上轉(zhuǎn)變?yōu)榇嬖谟趬Ρ诓遄?、墻壁疣、汽車面板、飛機座椅等中。
傳統(tǒng)的 USB Type-A 充電器只有一個電壓，這有助于實現(xiàn)簡單的高級設(shè)計。圖 1 顯示了一個簡化的示意圖。由R FBL和R FBU形成的電阻分壓器能夠?qū)κ┘拥絍 BUS的輸出電壓進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。在此拓?fù)渲?，反激控制器必須限制輸出電流以確保安全。
圖 1：A 型插座的傳統(tǒng) USB 充電器示意圖
USB Type-C? 連接器上的 USB Power Delivery (PD) 支持更高功率的充電，這將進一步拓寬 USB 充電生態(tài)系統(tǒng)。但是，USB PD和USB Type-C有了新的要求，圖1的原理圖不足以滿足這些要求。
圖 2 顯示了 USB PD 充電器的簡化原理圖。馬上，我們就可以看到電源路徑中有兩個 MOSFET 和一個大電容，這在圖 1 中沒有。另請注意，此原理圖可以提供多個電壓。PD 控制器通過配置通道 (CC) 協(xié)商電壓，然后將 CTL1 和/或 CTL2 引腳拉低以調(diào)整電阻分壓器以獲得高于 5V 的電壓。PD 控制器將 CTL 引腳拉到地或設(shè)置為高阻抗，以選擇所需的輸出電壓。
圖 2：Type-C 插座的 USB Type-C PD 充電器示意圖
USB Type-C 有一些不同于 USB Type-A 的要求。表 1 總結(jié)了此處討論的兩個新要求及其含義。
表1 ：USB Type-C PD 充電器中V BUS 的新要求
第一個新要求是支持USB PD 的充電器必須是冷插拔的；換句話說，當(dāng)插頭為空時，V BUS為 0V。此外，當(dāng)發(fā)生故障時，在執(zhí)行 USB PD 硬復(fù)位時，電源需要將 V BUS驅(qū)動到 0V 接近 1 秒。將 V BUS驅(qū)動至 0V 需要一種將反激輸出與連接器上的V BUS斷開同時保持 PD 控制器電源的方法。圖 2 中的原理圖使用 Q1 FET 使 V BUS變?yōu)?nbsp;0V，而 PD 控制器將其電源輸入 (VPWR) 保持為高電平，以便它可以監(jiān)控 CC1 和 CC2 上的接收器連接。
在USB規(guī)范中，“0V”真正的意思是小于0.8V（規(guī)范中簡稱vSafe0V）。這可確保任何連接的 USB 設(shè)備或接收器檢測到 V BUS已消失并重置。盡管 USB 規(guī)范要求 USB 自供電外設(shè)將低于 4.0V 的瞬變檢測為分離（USB 3.1 第 7.5.1.2.4 節(jié)），但它沒有指定其他外設(shè)的分離電壓。USB 設(shè)備在更低的電壓下運行是很常見的。因此，0.8V 定義可確保所有設(shè)備檢測到分離。
第二個新要求是，當(dāng)插座為空時，Type-C 插座不能暴露于 V BUS超過 10μF 。圖 2 中的原理圖使用 Q2 FET 來阻止流入 C BULKC的浪涌電流。Q2 對電容進行分壓，使 C PDIN直接應(yīng)用于連接器上的V BUS，而 C BULKC與連接器隔離。由于 USB PD 可能提供高達(dá) 100W 的功率，因此 C BULKC電容可能非常大。USB 3.1 規(guī)范給出了限制電容涌入的幾個原因，包括限制接觸電弧以延長連接器的壽命（參見 USB 3.1 第 11.4.4.1 節(jié)），這導(dǎo)致要求 USB Type-B 端口限制暴露在 V 上的電容其插座的BUS引腳為 10μF。
USB Type-C 規(guī)范定義了將傳統(tǒng) A 插頭適配為 C 插頭的電纜（見圖 3），這意味著來自 Type-A 插座的熱 V BUS可以連接到USB Type-C 插座的V BUS。因此，為了保護傳統(tǒng)的 Type-A 端口，所有 Type-C 插座必須限制它們的電容，同時不要將 V BUS拉到與Type-B 端口相同的 10μF 限制。
圖 3：USB Type-A 插頭轉(zhuǎn) USB Type-C 插頭
最后，USB PD 充電器可以選擇使用固定電纜。固定電纜產(chǎn)品具有 Type-C 插頭而不是 Type-C 插座。USB Type-C 規(guī)范沒有將Type-C 插座（母）定義為 Type-A 插頭（公）。因此，不需要限制V BUS引腳上的電容，因為它并不意味著機械連接到 A 型端口。這導(dǎo)致了圖 4 中所示的優(yōu)化，其中 Q2 FET 已被移除，但 Q1 FET 保留，以便 V BUS可以被驅(qū)動到 0V。固定電纜應(yīng)用的另一個好處是它只需要一個 CC 引腳，因為 Type-C 插頭只有一個 CC 引腳。
表 2 總結(jié)了這兩個新要求對不同應(yīng)用的適用性。
表2 ：新要求的適用性
對于需要 Q1 和/或 Q2 的系統(tǒng)（即所有 USB PD 應(yīng)用），系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過選擇具有最小 R DS(on) 的FET 來最小化系統(tǒng)影響。由于 N 溝道 MOSFET 通常提供比 P 溝道 MOSFET更低的 R DS(on)，因此最好選擇可以直接控制 N 溝道 MOSFET 的 PD 控制器，例如 TI 最近發(fā)布的 TPS25740 和 TPS25740A USB PD 控制器。
圖4 ：Type-C 插頭（固定電纜）的 USB Type-C PD 充電器示意圖。
與所有新技術(shù)一樣，在開發(fā) USB Type-C 充電器時需要考慮許多細(xì)節(jié)。它不僅僅是從現(xiàn)有的 USB Type-A 產(chǎn)品復(fù)制粘貼。
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