[讨论] USB Type-C 复杂性管理

禾川芯 2021-12-22 15:52 楼主

USB Type-C 和 USB PD 可通过可配置的电缆、接口和功率设置实现多功能性。USB Type-C 连接器使用 CC 引脚进行电气检测和连接配置。USB Type-C 端口可以作为仅主机、仅设备（以传统 USB 主机和设备运行）或双角色端口 (DRP)；主机是下行端口 (DFP)，设备是上行端口 (UFP)。

USB Type-C 的其他优势包括：

. 双角色端口可重新配置。例如，便携式计算机通过显示器充电时可作为 UFP，而为微型风扇供电时可作为 DFP。

. 可根据需要配置 VCONN，以确定 VBUS 使用 USB Type-C 标准电源或 USB PD。

.持可选的备用和配件模式。

使用端口控制器与 PD 控制器配合协调电源要求和方向，例如不会用智能手机等电池容量不大的设备为便携式计算机等大功率设备供电。端口控制器通常包括嵌入式微控制器，因而无需外部设备来监控电力交易。

为了有效管理复杂性并确保设计成功，USB 芯片供应商推出评估套件，为设计人员提供经优化的受保护电路进行试验，评估配置以选择最适合应用的 USB Type-C 和 USB PD。例如，ON Semiconductor 的 STR-USBC-4PORT-200W-EVK 是一款 200 W、四端口 USB Type-C EK。该套件具有多个输出电压，分别为 5 V、9 V、15 V 和 20 V，最大电流为 5 A，每个端口的最大输出功率为 100 W，开发人员可藉此探索 USB PD 3.0 的功能。由于受电源限制，该 EK 四个端口的最大总输出功率为 200 W。

STR-USBC-4PORT-200w-EVK 包括 USB PD 端口控制器、高压保护开关和降压电源控制器。此外，该套件还配备了 AC/DC 电源，输入电压为 90 V - 265 V，内置过流和热保护。该 EK 随附 ON Semiconductor 的 Strata 软件，其中包括配置工具，可用于功率分布测试、各种故障和折返功能试验、系统遥测监控，并为连接的设备提供可变充电负载（图 2）。\

该 EK 的端口控制器采用 ON Semiconductor 的 FUSB307B，旨在实现带 USB PD 功能的 USB Type-C 端口控制器 (TCPC)。作为 TCPC，该芯片符合 USB PD 接口规范，具有用于 USB Type-C 端口管理器 (TCPM) 的标准化接口，并集成用于手动连接/断开检测的 USB Type-C 检测电路。该芯片可自动处理时间关键型 PD 功能，而无需使用系统微控制器或 TCPM。
就这方面而言，STMicroelectronics 推出了 STEVAL-ISC004V1 USB PD EK。该 EK 是一款即用型 USB PD 源，基于该公司的 STUSB4710A USB PD 控制器，演示了如何将固定电压的直流电源输入转换为 USB PD 可变电压输出。USB PD 控制器通过 USB Type-C 的 CC 引脚进行通信，以协调传输至连接设备的给定功率，无需微控制器支持即可处理与 DFP 或 UFP 的连接。
此外，Texas Instruments (TI) 还推出了 USB-CTM-MINIDK-EVM，一款 USB Type-C 坞站接口 EK（图 3）。该 EK 是一款 USB Type-C 坞站参考解决方案，包括 USB PD、音频、USB 数据、电源和视频；通过 USB Type-C PD 主端口支持拉出和灌入电流功能。由外部 USB Type-C 充电器供电时，坞站可在 3 A 下提供 5 V 电压，在 5 A 下提供 12 V 至 20 V 电压。
该 EK 包括：

TUSB8041：四端口 USB 3.0 集线器控制器，通过 DFP 和 UFP 均可提供 SuperSpeed USB 连接。
TUSB321：TCPC 用于检测端口连接/断开、电缆方向和角色。该芯片可配置为 DFP、UFP 或 DRP。
TPS65982：USB Type-C 控制器用于 USB PD 协调和启用电源路径。

ON Semiconductor、TI 和 STMicroelectronics 的 EK 可协助工程师完成带 USB PD 的 USB Type-C 设计设置和配置。
使用 ON Semiconductor 的 EK 开发需借助该公司的 Strata Developer Studio。首先，开发人员需向 EK 施加交流电压，使用 USB Mini-B 电缆将其连接至 PC，登录并允许 PC 检测 EK，下载相关内容。
开发人员可对系统进行基本设置，包括最大系统功率（从 30 W 至 200 W），该设置可确保四个端口的总 PD“合同”不超过交流电源的总功率，以及“保证功率”设置，即端口 1 始终按分配输出功率，而其他端口共享剩余功率。此外，还提供故障保护设置，可用于确定指示故障状态的温度阈值。
然后，开发人员就可以着手测试各种端口设置，包括：

端口最大功率：设置后所有合同均不得超出该限值
限流：0 至 6 A
电缆补偿：拉电流较高时，减少灌入设备的电压降
功率分布广播：插入设备后，将显示提供给灌入设备的功率分布列表

再者，开发人员可以访问浏览器，其中详细列出 USB 端口的总输入电压和功率，以及各个端口的功率分布 (V)、PD 合同 (W)、输出电压和功率、温度和能效等相关性能信息。该 EK 可连接示波器以显示 V BUS 转换等详细性能信息（图 4）。

STMicroelectronics EK 的工作方式与 ON Semiconductor EK 类似。连接 22 V（最小值）直流电源和带 USB Type-C 连接器的外设后，通过 I2C 接口，即可从非易失性存储器将该 EK 的板载 USB PD 控制器设置读取至 PC。然后，开发人员通过 PC 接口重新配置最多五个 PD 电压和电流输出、峰值电流、欠压和过压锁定。在 PC 上完成设置后，可将配置编程导入 USB PD 控制器的存储器，用于为连接的外设供电。
TI 的 EK 则需要与该公司的 USB Type-C 使能板配合使用。使用 USB Type-A 转 USB Type-B 电缆和 DisplayPort 电缆，将使能板连接至 PC，再使用 USB Type-C 电缆将 EK 连接至 USB Type-C 使能板。然后，开发人员就可直接在 PC 上测试 USB 3.0 集线器、TCPC 和 USB Type-C 控制器的配置。

总结

USB Type-C 和 USB PD 为消费者带来便利，提高了吞吐量和功率传输能力，可为连接的外设供电，也可为其电池充电。不过，该技术也相应增大了复杂性，给惯用 USB Type-A 系统的开发人员带来相当艰巨的实施挑战。

如上所述，尚不熟悉 USB Type-C 和 USB PD 的开发人员，现可利用主要 USB 芯片供应商推出的评估套件，通过用户友好界面以受控方式进行技术试验。此外，禾川兴致力于TYPE-C相关方案开发，在相关产品研究方面拥有6年经验，拥有上千套成熟方案开发以及常见物料渠道。欢迎咨询讨论。

项目原理图2185126449