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有效防止USB Type-C接口被烧, TCPP01-M12让工程师为欧盟新规做好准备

2022-10-10 16:11 来源:意法半导体博客 编辑:电源网

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TCPP01-M12芯片可以在受电模式(充电)下保护USB Type-CTM接口,防止过压冲击接口针脚,VBUS线最大耐压24V,CC线最大耐压6V,还具有静电放电防护等安全功能。TCPP代表了Type-C接口保护,同时TCPP01-M12可与内置 USB-C Power Delivery (UCPD)控制模块的STM32 MCU配套使用。因此,微控制器STM32G0、STM32G4、STM32L5 或 STM32U5均可以与TCPP01-M12搭配使用,并且比用大量的外部器件更划算。TCPP01-M12 的独到之处还在于,当接口没有连接任何设备时,其静态电流为零。

TCPP01-M12: 保护USB-C的热度

USB-C的崛起

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▲The TCPP01-M12

媒体称赞 2019 年是 USB-C应用普及的关键之年。从那时起,USB-C连接器已经开始渗透到科技行业的方方面面,甚至出现在我们最新款的调试探针STLINK-V3MINIE上。ST调试探针仅使用成熟的技术来接触广大人群并提供更高的可靠性。因此,USB-C 的出现在ST探针上具有高度的象征意义。此外,欧盟还发出强烈信号表示通用 USB-C充电器法规即将出台。因此,设备厂商必须在他们的产品中配备USB-C接口。虽然法规适用的确切范围尚不清楚,但欧洲内部市场和消费者保护委员会在关于此事的最新会议上建议扩大该法规适用的产品类型。

USB-C附带的新挑战

USB-C的应用带来一系列新的挑战。无法正确控制电压的劣质充电器越来越常见。如果受电设备(充电)只需要5V电压,而质量不好的电源产品(充电器)由于硬件或软件缺陷,输出电压仍保持在20V,如果不做充分保护就充电可能会严重烧坏 VBUS 线。工程师还必须预防静电放电或电气过应力。由于USB Type-C 连接器非常小,所以,必须防止CC 和 VBUS 线之间短路,否则会烧坏 USB 控制芯片。

虽然目前还没有相关法规,欧盟围绕USB-C展开的举措也会影响产品设计。尽管目前使用的还是非常传统的电源配置参数,仍然有许多企业开始换用USB-C接口。许多设计先进的USB-C产品从USB Power Delivery技术上受益,特别是在USB PD 3.1 版本协议标准中,电压处理能力高达48 V,电流处理达到5 A。不过,在许多情况下,设计是在 5 V、3 A 传统模式下用 USB-C,这种配置不需要输电控制器,因为电源配置参数只需要一个下拉电阻。但是,这些设备同样需要保护,因为与它们相连的产品可能送入更多的电能。因此,即使是传统模式也需要坚固的保护。

TCPP01-M12:实现USB-C保护

一个成本效益更高的 USB-C保护解决方案

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▲All the protection and filters around MCUs

此前,保护电路都在 USB-C Power Delivery 控制器内部。现在,我们把保护模块嵌入MCU,并提供配套的 Type-C 端口保护芯片,降低了应用的物料清单成本。因为不再需要昂贵的 USB-C PD ASIC 控制器,这种方法还促进了micro-B 设备向Type-C的过渡。事实上,MCU和 TCPP01-M12 捆绑设计在成本上之所以这么吸引人,是因为该保护器件集成了 VBUS 栅极驱动器,从而可以使用更经济的 N-MOSFET功率管,而无需用昂贵的P-MOSFET。此外,TCPP01-M12 已通过 USB-IF 认证(测试 ID:5205),这意味着遵循 ST 设计方法和代码示例的团队将更快通过认证。

一个能效更高的 USB-C保护解决方案

灵活的架构是将 TCPP01-M12 与搭载 Power Delivery 控制器的微控制器配套使用的另一个优势。工程师可以将低压 MCU控制域和高压电源路径分开,并获得所需的保护功能。此外,QFN12 封装可以让TCPP01-M12 的安装位置尽可能靠近 USB Type-C 连接器,为其提供最大程度的保护。该芯片支持可编程电源 (PPS),这意味着受电设备从3.3V开始逐步提高充电电压,每次可以请求提高电压20 mV,直到电压与电池的特性匹配为止,因此,做到了快速充电和保护系统两不误。

与竞争解决方案相比,TCPP01-M12的低RDSon导通电阻和零静态电流对整体能效产生积极的影响。静态电流为零是因为芯片从MCU的GPIO引脚取电,而不是从内部低压差稳压器受电。因此,当用户拔出充电线时,TCPP01-M12 不消耗任何电能。对于想要制造有小电池的微型产品的公司来说,这一点尤其重要,但是,许多工程师可能低估了这个省电效果,当产品只有一支笔大小时,每一微安都很重要。

入门板X-NUCLEO-SNK1M1

此前,开发USB-C PD应用非常地费时费力。工程师必须读500多页的技术文档,才能弄明白充电协议。开发团队几乎是要从零开始。现在,ST所有的带USB-C端口的新开发板都将集成TCPP01-M12芯片,这样,设计人员就可以获取我们的原理图,拿到他们自己的设计中二次使用。我们还推出了 X-NUCLEO-SNK1M1 64针Nucleo扩展板,板上集成TCPP01-M12 和一个负载开关,当与 NUCLEO-G071RB 或 NUCLEO-G474RE 开发板配合使用时,可以实现最大功率100 W的PPS USB-C Power Delivery受电端应用。

工程师还可以将扩展板与不带USB Power Delivery 控制器的微控制器一起使用,开发一个传统的充电应用。NUCLEO-L552ZE-Q 和 NUCLEO-U575ZI-Q是板载TCPP01-M12的开发板。该保护器件采用引脚间距500µm的QFN12 封装,这是PCB 组装常用参数,制造门槛比较低。对于希望使用Nucleo开发板、STM32CubeMX 和 STM32CubeMonUCPD 开发产品原型的工程师,我们甚至还提供应用笔记和入门指南。ST 还提供X-CUBE-TCPP软件包,其中包含中间件和代码示例。

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