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化身环保利器,USB Type-C大幅减少电子垃圾!

2023-11-20 15:02 来源:贸泽电子 编辑:电源网

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图源:stokkete/stock.adobe.com

作者:Mohamed SAADNA,STMicroelectronics技术营销工程师

发布日期:2023年1月19日

“欧洲每年出货的便携式设备充电器数量高达5亿,产生的电子垃圾高达1.1万至1.3万吨,因此为手机和其他中小型电子设备提供通用充电器将会使所有人受益。这将有助于环境保护,进一步促进旧电子产品的再利用,为企业和消费者节约资金,减少不必要的成本和不便。

这些话来自欧洲议会的Alex Agius Saliba,他建议将USB Type-C连接器作为一种新的统一标准充电接口,并减少电源适配器的使用。

根据受电设备的功率要求和USB Type-C Power Delivery的最新规范,在设计中实现USB-C基本上有三种方法:

1.使用5V恒定电压,最大功率15W,最大电流3A:在这种情况下,不使用Power Delivery协议,但仍需要一些保护措施来保护下游电路。这是“感受”这个强大标准第一批好处的最简单、最快捷的方法。

2.使用5V至20V之间的任意电压,最大电流为5A:该方法能提供Power Delivery协议带来的快充优势,如果使用可编程电源,还能减少充电设备的发热现象 [3]。此功率范围被称为SPR,即标准功率范围。

3.扩展功率范围“EPR”是USB-C Power Delivery标准的最新改进,可提供高达240W的功率(48V,最大电流5A)。


在为受电设备选择功率范围后,设计人员会选择符合要求的接口电路。

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图 1:USB-C连接器引脚布局(图源:STMicroelectronics)

该接口电路将重点发挥两个主要作用:ESD保护和USB-C PD合规。

ESD 保护

首先,它必须具有静电放电 (ESD) 保护功能,以符合IEC61000-4-2 4级测试要求。所有可能从连接器产生外部静电放电的引脚都需要ESD保护。

CC1和CC2引脚以及D+和D-引脚通常就需要ESD保护。这种ESD保护器件最好放在靠近USB-C连接器的位置。选择双线器件有助于减少PCB空间占用。

对于VBUS引脚,由于浪涌波形可能比ESD放电波形更长,因此浪涌保护装置的规格必须更高。在这种情况下,最好使用按8/20µs 或 10/1000µs 浪涌波形指定的TVS,以避免下游电路遭受过大的电气应力。此外,在USB Type-C Power Delivery受电端设计中,VBUS路径电容值应介于1µF和10µF之间。

假设受电设备嵌入了射频连接。在这种情况下,通过在D+、D-线路或SuperSpeed线路的ESD保护设计中增加共模滤波器来提高射频接收器的灵敏度是有意义的,这些线路在射频接收器频率(通常是蓝牙或WiFi天线使用的2.4GHz或5GHz)内更容易产生共模噪声。

除了这些基本的EMC组件外,对于VBUS和CC线路,USB-C还需要特定的保护组件,无论电路的功率规格如何。

我们先从VBUS开始:有许多视频显示,由于电源适配器或USB-C电缆故障,第一批使用设计不当的USB-C接口的产品遭受了严重损坏。不幸的是,这种情况很可能再次发生,因为USB-C将在欧盟授权后得到普及。因此,无论应用的电压是多少:5V还是Power Delivery协议中的任何电压,受电设备都必须保护自己免受电源或电缆缺陷的影响,因为它们会导致向VBUS施加高于协商电压的电压。针对这种危险,比较稳健的解决方案是增加过压保护 (OVP),当达到理想情况下使用分压电阻桥设置的阈值后就会触发:无论VBUS上的电压有多高,都能确保电子设备的完整性。

CC线路的额定最大电压通常为6V DC。在使用USB-C连接器时,经常会发现从插座中拔出USB-C插头时发生VBUS短路事件。这是由于连接器的脚距较小(0.5 mm),在插座中扭转插头时可能会将VBUS电压施加到CC线路上。同样,常见的最佳做法是在CC线路上设置过压保护。此外,如果需要在SPR或EPR模式下使用USB-C Power Delivery协议,标准要求在CC线路上增加EMI电容,指定值介于200pF和600pF之间。

符合USB-C PD规范

然后,接口电路必须确保功能符合USB-C Power Delivery规范。我们要重点关注功能是否符合要求,而不是任何集成电路数据表中都能找到的规范中所定义的电压和时序水平。

对于设计者来说,这里的新功能是指被称为“电池耗尽”(Dead-battery) 的模式,它允许在受电设备完全耗尽电量时使用快充协议。

那么它是如何工作的呢?当USB Type-C供电电压施加到两条CC线路上时,“电池耗尽”模式基本上是下拉电阻Rd到GND或使用电压钳位。它被解释为受电端请求接收5V的VBUS电压。然后,供电端为受电端供电,受电端运行Power Delivery协议,广播其允许快速充电的功率信息。

明确了这些基本功能后,在制造USB Type-C受电设备时,就需要考虑两种电路。实现方式的选择直接影响到设备的成本。USB-C连接器及其复杂电路的成本往往是在电池供电设备中推广这一解决方案的关键限制因素。

整个硬件解决方案由集成电路构成,这些集成电路将为数量众多的所有USB-C引脚实现USB-C Power Delivery控制器和所有高压控制(对于受电端是OVP,供电端是OCP)。当USB-C连接器主要用于笔记本电脑或台式机时,这些集成电路是不同供应商提供的第一种解决方案(传统方案)。它们通常是一刀切的解决方案,不推荐用于成本敏感型设备。虽然存在成本更低的集成电路,但它们并不完全符合最新的USB-C Power Delivery规范(如PPS)或保护功能(如VBUS上的OVP)。此外,由于这些集成电路采用高压硅技术,因此成本尚未充分优化,这对于Power Delivery协议的逻辑集成来说并不理想。

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图 2:从全硬件架构转向基于MCU的高性价比解决方案(图源:STMicroelectronics)

另一种解决方案是将这些纯逻辑功能转移到任何嵌入式设备中已有的集成电路:MCU。事实上,USB Type-C Power Delivery (UCPD) 协议在MCU中的成本比在高压集成电路中更有优势,因为高压集成电路没有采用MCU那种更薄的光刻技术。所以VBUS通路和CC线路保护的高压控制可集成到另一个更小的器件中,非常适合可用于Type-C端口保护 (TCPP) 的受电设备。对于这种设备来说,只要满足标准的基本要求,就无需具备USB Type-C Power Delivery的所有功能。

采用后一种解决方案,新应用可以在不牺牲成本的情况下从快速充电功能中获益。

下面我们分两步看一下第二种解决方案,首先是具有UCPD功能的MCU,然后是TCPP。

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图 3:用于USB-C Power Delivery统包解决方案的STM32+TCPP功能(图源:STMicroelectronics)

部署USB Type-C Power Delivery的全部功能可能需要不同领域的专业知识,比如有线连接、电源管理、数据通信和身份验证。STMicroelectronics STM32 MCU符合最新的USB PD r3.1规范。它们简化了USB PD在嵌入式系统中的部署,实现了先进的应用功能。最新的STM32 MCU系列,如STM32G0、STM32G4、STM32L5和STM32U5系列,都内置了经过认证的USB PD控制器 (UCPD)。STM32G0是唯一内置2个UCPD控制器的系列,优化了采用双USB-C连接器的应用的成本。UCPD外设现在可视为标准外设,就像I2C或ADC一样,未来将在新的STM32系列中出现。

不使用USB-C PD时,只要CC线路下拉时的值正确(CC1和CC2线路通常为5.1k,两条线路不得连接),任何MCU都可以使用。

但是,要享受USB-C PD带来的快速充电优势,MCU带有UCPD,用其配套芯片TCPP来处理高压控制和保护是最佳选择。对于电池供电设备(通常是受电设备),STMicroelectronics TCPP01-M12为外部N沟道MOSFET集成了栅极驱动器,用于VBUS过压保护,并使用分压电桥设置外部可调OVP阈值。此外,它还在CC线路上提供系统级IEC61000-4-2 4级ESD保护,确保连接器引脚可承受最高+8kV的接触放电。此外,这些CC 线路上的两个集成FET将保护它们免受VBUS短路事件的影响。这两个器件设计为在电池电量耗尽时完美配合:当STM32掉电时,TCPP01-M12会在CC线路上广播自己的Rd(电池耗尽)电阻,当STM32重新上电时,供电端读取CC线路上的电压箝位并在VBUS上施加5V电压后,TCPP01-M12会移除这些电阻。在正常情况下,只有检测到USB-C电缆连接时,STM32才会为TCPP01-M12供电,以尽量延长电池寿命。这些都是使用其他解决方案难以实现的技巧。

使用STM32+TCPP01-M12组合芯片的主要好处是可以使用Nucleo扩展板X-NUCLEO-SNK1M1来体验所有这些功能,感受Power Delivery协议的真正威力。值得高兴的是,该扩展板及其免费软件示例代码X-CUBE-TCPP已通过USB-IF认证(测试ID:5205)。

未来展望

您在设计受电设备吗?STMicroelectronics已经根据使用案例发布了一整套TCPP产品(TCPP02-M18为供电器件,TCPP03-M20为双功能电源),并为每款产品提供了经济实惠的Nucleo扩展板:X-NUCLEO-SRC1M1用于TCPP02-M18,X-NUCLEO-DRP1M1用于TCPP03-M20。每款扩展板的软件示例代码均可免费下载:X-CUBE-TCPP。

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图 4:助力USB-C Power Delivery解决方案开发的硬件和软件工具(图源:STMicroelectronics)

对于上面提到的每款硬件扩展板,都有丰富的文档可用于快速启动USB-C PD项目,例如快速入门指南、数据表、用户手册和完整的应用笔记列表。时间宝贵,您可以考虑使用AN5418:和AN5225:快速成为使用STM32 MCU实现USB-C Power Delivery的专家。

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