客製化替代模式滿足大功率傳輸　USB PD電源路徑設計有撇步

利用USB Type-C連接器，使用者可以採用相同的連接器為筆記型電腦充電，並連接顯示器、擴充器、儲存裝置或耳機。透過USB電源傳輸(PD)，可將許多傳輸功能整合到同一連接器。

USB PD的規格可支援高達100W功率的訊號源或接收裝置，但對某些應用來說，100W的功率可能無法滿足使用需求，對於功率超過100W的USB Type-C連接器也沒有明確的解決方案。使用USB PD充電時，充電器必須能夠提供5V、9V、15V和20V的功率，以符合USB PD規格。USB PD規格定義的最高標準功率為100W(5A時為20V)。但是，USB PD規格允許使用客製化的替代模式，使用者可以在USB Type-C上實現超過100W的功率，以便更快速地為裝置充電。而功率半導體廠商，可協助使用者進行配置設定的替代模式，使USB Type-C上的功率能夠達到200W。

硬體設計

在設計一個電源功率為200W的系統時，須要考慮熱性能和效率這兩方面的設計要素。首先，來討論一下功率轉換器的設計。市場上多數筆記型電腦的充電電壓為20V，標準筆記型電腦充電器中AC/DC轉換器的直流輸出電壓為19.5V至20V。根據USB PD規格中的定義，對於20V的USB PD標準，19.5V處於5%的誤差範圍內。如果降壓控制器在外部場效應電晶體(FET)上支援100%工作週期(Duty Cycle)，則允許僅採用降壓功率架構的設計。

DC/DC降壓設計

在此以德州儀器(TI)的磁滯P通道FET(PFET)控制器LM3489為例，說明DC/DC降壓設計要點。該整合電路(IC)允許外部PFET上100%的工作週期，可直接從AC/DC轉換器中通過來自外部19.5V。市場上多數USB PD控制器都具備通用型輸入/輸出(GPIO)功能，用於控制外部穩壓器輸出電壓。PD控制器可以透過調節降壓的反饋網路來調整PFET控制器DC/DC降壓轉換器的輸出電壓。

圖1所示的架構可用於輸出所有四個標準USB PD電壓(5V、9V、15V和20V)。選擇R1和R2，使預設輸出電壓為5V。

當USB PD控制器協調更高的功率電壓時，它會切換GPIO訊號，打開反饋網路中的n通道FET(NFET)，調節輸出電壓。當啟用Q1時，反饋網路會進行調整，使R2和R3與分頻器(Divider)頂部的R1並聯。選擇R3、R2和R3與分頻器頂部的R1並聯會產生9V輸出。

當啟用Q2時，反饋網路會進行調整，使R2和R4與分頻器頂部的R1並聯。選擇R4，使R2和R4與分頻器頂部的R1的並聯電阻產生15V輸出。最後，當啟用Q1和Q2時，R2、R3和R4均與分頻器頂部的R1並聯。選擇電阻值，產生20V輸出。

設計輸出大於5A的系統時，旁路路徑可以直接將AC/DC輸出電壓傳遞給系統中的VBUS FET。藉由GPIO控制的PFET旁路路徑是一種實現此目的的簡單方法。

對於此應用，使用具備低RDS(on)的相對較大PFET，透過外部旁路路徑將耗損降至最低。這種電源架構使PFET控制器能夠根據所連接的裝置產生所有標準USB PD電壓。

調整為高功率模式的替代模式後，USB PD控制器就可以切換GPIO，使外部旁路路徑能夠直接將AC/DC輸出電壓傳遞給VBUS FET。這樣USB PD電源系統便能夠保持相容，同時最小化高功率模式下的耗損。

圖2重點說明了功率架構。旁路路徑是一種背對背PFET。當路徑被禁用時，VOUT側PFET的體二極管會阻止AC/DC功率電壓洩漏到LM3489的輸出。協調和進入替代模式會啟用外部PFET路徑。透過切換啟動針腳，使用這種相同的GPIO訊號來同時禁用PFET控制器DC/DC，以便在啟用外部PFET路徑時，DC/DC不會以20V反饋。

USB PD控制器設計

USB PD控制器對於啟用之前討論過的功能至關重要。USB PD控制器必須能夠協調替代模式，控制GPIO並通過其VBUS FET以最小的耗損處理大電流。在此以TI的TPS65987D為例說明，為了控制上一節中所述的DC/DC系統，USB PD控制器使用真值表(表1)中的兩個GPIO來產生輸出電壓。

或者，如果系統的輸入電壓低於20V，則可以使用I2C控制式降壓升壓(如bq25703A)。雖然這通常需要一個微控制器(MCU)來控制降壓升壓控制器，但是藉助USB PD控制器的整合I2C主裝置，MCU就不是必需的。

根據USB PD規格，在其配置通道(CC)線路上通告RD的裝置必須將DC/DC控制器的輸出電容與VBUS隔離。在這種情況下，系統必須具有VBUS FET以滿足此規格。USB PD控制器有兩個高壓背對背整合FET，可滿足此要求。其內部FET在25℃環境溫度下的RDS(on)約為30mΩ。對於高功率替代模式，此電阻可能太高。當5A的電流通過其中一個內部FET時，FET中將消耗大約750mW的功率。透過使用替代模式，USB PD控制器能夠同時並聯關閉其兩個內部電源路徑。這種替代模式有效地將電源路徑的RDS(on)減半，並且還使FET內部的功耗減半。圖3重點說明了PD控制器如何與此功率架構連接。

同時打開兩個FET，不僅允許兩倍的功率通過USB PD控制器，還可以透過VBUS FET大大降低耗損。許多應用有著非常嚴謹的功率預算。高RDS(on) VBUS FET會阻礙USB Type-C在某些空間中的使用。TI通過提供極低RDS(on)的整合電源路徑解決方案解決了這一問題，進而可以在以往從未考慮過的領域使用USB Type-C。

V_BUS電源路徑保護

在設計高功率系統時，保護使用者和系統免受可能在電源路徑上發生的任何有害事件非常重要。最難以防範的事件是VBUS對地短路。在這種情況下，VBUS上的電流會迅速增加；在這些高電流位準造成損壞之前，電源路徑必須立即打開FET。如果FET未快速打開，突增電流可能會損壞FET和系統的其餘部分。

市場上許多USB PD控制器都沒有整合電源路徑。透過這些類型的USB PD控制器，硬體設計師可以使用離散元件提供保護。離散地實施過電流保護計畫可能很乏味；它通常涉及使用帶有電流感測放大器的偵測電阻。然後將電流感測放大器的輸出匯入比較器，該比較器會觸發USB PD控制器上的故障GPIO，或啟用路徑以禁用VBUS FET的柵極。這不是最佳的解決方案，因為設置比較器後，就無法調整過流跳脫點。如果VBUS對地短路，那麼相比通過整合電源路徑進行偵測，離散式解決方案將需要更長的時間來偵測短路並打開FET。

與過流保護一樣，實施反向電流保護，可以保護系統免受不合規USB PD裝置或適配器的影響。當使用沒有整合路徑的USB PD控制器時，還必須離散地實現反向電流保護，這是選擇USB PD控制器時須考慮的另一個設計考慮因素。一個整合了電源路徑和保護的USB PD控制器可以節省設計時間，因為所有保護均已實施。這使開發者可以專注於設計的其他方面，而無須考慮外部電源路徑和離散保護的設計。

圖4重點說明了在具有適當保護的電源路徑的VBUS對地短路期間應該發生的情況。當VBUS上的電流迅速上升至約35A時，USB PD控制器偵測到此大電流並立即打開FET。通常將硬體比較器作為韌體實現來實施VBUS對地短路保護，而這種保護無法做出快速反應來保護電源路徑和系統。這種電源路徑快速關斷可在發生Hard Short時保護系統和FET。

未受到適當保護的系統可能會損壞DC/DC和VBUS FET；系統甚至可能會變黑。功率始終負責根據USB PD規格實現過流和短路保護。USB PD控制器可以防止這些事件的發生。

電源接收器設計

實現一個可在USB Type-C連接器上匯集電源的裝置要比訊號源裝置更簡單。接收裝置不需要實施任何過流保護，因為它依賴於電源進行保護。市場上的許多USB PD控制器支援「電池耗盡」運作。由於系統中唯一的電源是VBUS，因此電池耗盡模式使開發者可以設計一個完全由VBUS供電且不需要任何外部電源的系統。當裝置電池完全放電時，電池耗盡模式也有用處。電池耗盡運作使整個系統能夠成功啟動，並開始為電池充電或為系統供電，而不依賴於外部電源。

圖5重點說明了採用USB PD控制器進行接收裝置設計的簡單性。USB PD控制器會處理與訊號源的協調並相應地啟用內部電源路徑。在源和接收器設計上使用TI USB PD控制器時，開發者可以配置自定義替代模式，啟用高功率充電模式並關閉源和接收裝置中的兩個電源路徑。這可將流過USB Type-C電線的電流增加一倍，而VBUS電源路徑上的有效RDS(on)減少一半。

USB PD替代模式

USB PD控制器可完成許多檢查，以確保系統僅在支援時進入高功率替代模式。在初始連接時，USB PD控制器可向固定電線發送起始包(SOP')序列消息以發現其功能。該電線內部包含一個電子標記，可以透過其功能響應SOP'消息，例如其最大資料傳輸速率及可支援的電流。如果電線內部沒有電子標記，則USB PD控制器假設電線可以承載不超過3A的電流，並且不會進入高功率模式。必須通告電線的支援電流為5A，以便與高功率替代模式相容。USB PD規格規定電線和連接器必須支援200%的工作電流條件，以便5A電線和連接器可以支援10A一段時間。

一旦USB PD控制器發現電線可以支援5A，則會開始與連接裝置進行協調。第一系列的消息會協調標準電壓和電流。此時，訊號源裝置和接收裝置會協調20V/3A合約。初始功率協調完成後，連接裝置可以開始協調替代模式。在這種情況下，訊號源裝置和接收裝置均支援高功率替代模式。訊號源裝置會發送消息以判斷接收裝置是否支援高功率替代模式。如果是的情況，訊號源裝置將進入高功率替代模式。

進入高功率替代模式時，訊號源側的USB PD控制器將關閉其兩個電源路徑並啟用PFET旁路路徑，同時禁用DC/DC轉換器。接收裝置上的USB PD控制器將啟用並正確配置其兩個電源路徑，並在替代模式下切換GPIO一次。在此GPIO事件時，接收裝置可以開始接收電流。重要的是，在替代模式協調完成之前，接收裝置不會開始接收大電流，因為GPIO會指示系統中的裝置何時為大量負載做好準備。USB PD規格還量化了接收裝置在建立協調電源合約之後何時可以開始接收電流。

結論

USB Type-C和USB PD使終端裝置能夠在同一連接器上實現更多功能。從高速資料(如Type-C替代模式上的顯示連接埠)到100W功率，相同的連接器可以實現幾種不同類型終端裝置的所有連接。對於想要轉換到USB Type-C的所有設計，100W的功率是不夠的。對於這些特定應用，配置自定義替代模式可以使某些USB PD控制器進入高功率模式。

目前市面上已有功率半導體廠商如TI提供低RDS(on)的USB PD解決方案，並支援自定義替代模式以實現高功率充電。具備整合電源路徑的USB PD控制器可藉由簡化系統功率設計來縮短設計週期時間。憑藉整合電源路徑保護，開發者可以將設計重點放在系統的其他方面，不必擔心電源路徑受損。

(本文作者任職於德州儀器)