圖源：stokkete/stock.adobe.com

作者：Mohamed SAADNA，STMicroelectronics技術營銷工程師

發布日期：2023年1月19日

“歐洲每年出貨的便攜式設備充電器數量高達5億，產生的電子垃圾高達1.1萬至1.3萬噸，因此為手機和其他中小型電子設備提供通用充電器將會使所有人受益。這將有助于環境保護，進一步促進舊電子產品的再利用，為企業和消費者節約資金，減少不必要的成本和不便。

這些話來自歐洲議會的Alex Agius Saliba，他建議將USB Type-C連接器作為一種新的統一標準充電接口，并減少電源適配器的使用。

根據受電設備的功率要求和USB Type-C Power Delivery的最新規范，在設計中實現USB-C基本上有三種方法：

1.使用5V恒定電壓，最大功率15W，最大電流3A：在這種情況下，不使用Power Delivery協議，但仍需要一些保護措施來保護下游電路。這是“感受”這個強大標準第一批好處的最簡單、最快捷的方法。

2.使用5V至20V之間的任意電壓，最大電流為5A：該方法能提供Power Delivery協議帶來的快充優勢，如果使用可編程電源，還能減少充電設備的發熱現象 [3]。此功率范圍被稱為SPR，即標準功率范圍。

3.擴展功率范圍“EPR”是USB-C Power Delivery標準的最新改進，可提供高達240W的功率（48V，最大電流5A）。

在為受電設備選擇功率范圍后，設計人員會選擇符合要求的接口電路。

圖 1：USB-C連接器引腳布局（圖源：STMicroelectronics）

該接口電路將重點發揮兩個主要作用：ESD保護和USB-C PD合規。

ESD 保護

首先，它必須具有靜電放電 (ESD) 保護功能，以符合IEC61000-4-2 4級測試要求。所有可能從連接器產生外部靜電放電的引腳都需要ESD保護。

CC1和CC2引腳以及D+和D-引腳通常就需要ESD保護。這種ESD保護器件最好放在靠近USB-C連接器的位置。選擇雙線器件有助于減少PCB空間占用。

對于VBUS引腳，由于浪涌波形可能比ESD放電波形更長，因此浪涌保護裝置的規格必須更高。在這種情況下，最好使用按8/20μs 或 10/1000μs 浪涌波形指定的TVS，以避免下游電路遭受過大的電氣應力。此外，在USB Type-C Power Delivery受電端設計中，VBUS路徑電容值應介于1μF和10μF之間。

假設受電設備嵌入了射頻連接。在這種情況下，通過在D+、D-線路或SuperSpeed線路的ESD保護設計中增加共模濾波器來提高射頻接收器的靈敏度是有意義的，這些線路在射頻接收器頻率（通常是藍牙或WiFi天線使用的2.4GHz或5GHz）內更容易產生共模噪聲。

除了這些基本的EMC組件外，對于VBUS和CC線路，USB-C還需要特定的保護組件，無論電路的功率規格如何。

我們先從VBUS開始：有許多視頻顯示，由于電源適配器或USB-C電纜故障，第一批使用設計不當的USB-C接口的產品遭受了嚴重損壞。不幸的是，這種情況很可能再次發生，因為USB-C將在歐盟授權后得到普及。因此，無論應用的電壓是多少：5V還是Power Delivery協議中的任何電壓，受電設備都必須保護自己免受電源或電纜缺陷的影響，因為它們會導致向VBUS施加高于協商電壓的電壓。針對這種危險，比較穩健的解決方案是增加過壓保護 (OVP)，當達到理想情況下使用分壓電阻橋設置的閾值后就會觸發：無論VBUS上的電壓有多高，都能確保電子設備的完整性。

CC線路的額定最大電壓通常為6V DC。在使用USB-C連接器時，經常會發現從插座中拔出USB-C插頭時發生VBUS短路事件。這是由于連接器的腳距較小（0.5 mm），在插座中扭轉插頭時可能會將VBUS電壓施加到CC線路上。同樣，常見的最佳做法是在CC線路上設置過壓保護。此外，如果需要在SPR或EPR模式下使用USB-C Power Delivery協議，標準要求在CC線路上增加EMI電容，指定值介于200pF和600pF之間。

符合USB-C PD規范

然后，接口電路必須確保功能符合USB-C Power Delivery規范。我們要重點關注功能是否符合要求，而不是任何集成電路數據表中都能找到的規范中所定義的電壓和時序水平。

對于設計者來說，這里的新功能是指被稱為“電池耗盡”(Dead-battery) 的模式，它允許在受電設備完全耗盡電量時使用快充協議。

那么它是如何工作的呢？當USB Type-C供電電壓施加到兩條CC線路上時，“電池耗盡”模式基本上是下拉電阻Rd到GND或使用電壓鉗位。它被解釋為受電端請求接收5V的VBUS電壓。然后，供電端為受電端供電，受電端運行Power Delivery協議，廣播其允許快速充電的功率信息。

明確了這些基本功能后，在制造USB Type-C受電設備時，就需要考慮兩種電路。實現方式的選擇直接影響到設備的成本。USB-C連接器及其復雜電路的成本往往是在電池供電設備中推廣這一解決方案的關鍵限制因素。

整個硬件解決方案由集成電路構成，這些集成電路將為數量眾多的所有USB-C引腳實現USB-C Power Delivery控制器和所有高壓控制（對于受電端是OVP，供電端是OCP）。當USB-C連接器主要用于筆記本電腦或臺式機時，這些集成電路是不同供應商提供的第一種解決方案（傳統方案）。它們通常是一刀切的解決方案，不推薦用于成本敏感型設備。雖然存在成本更低的集成電路，但它們并不完全符合最新的USB-C Power Delivery規范（如PPS）或保護功能（如VBUS上的OVP）。此外，由于這些集成電路采用高壓硅技術，因此成本尚未充分優化，這對于Power Delivery協議的邏輯集成來說并不理想。

圖 2：從全硬件架構轉向基于MCU的高性價比解決方案（圖源：STMicroelectronics）

另一種解決方案是將這些純邏輯功能轉移到任何嵌入式設備中已有的集成電路：MCU。事實上，USB Type-C Power Delivery (UCPD) 協議在MCU中的成本比在高壓集成電路中更有優勢，因為高壓集成電路沒有采用MCU那種更薄的光刻技術。所以VBUS通路和CC線路保護的高壓控制可集成到另一個更小的器件中，非常適合可用于Type-C端口保護 (TCPP) 的受電設備。對于這種設備來說，只要滿足標準的基本要求，就無需具備USB Type-C Power Delivery的所有功能。

采用后一種解決方案，新應用可以在不犧牲成本的情況下從快速充電功能中獲益。

下面我們分兩步看一下第二種解決方案，首先是具有UCPD功能的MCU，然后是TCPP。

圖 3：用于USB-C Power Delivery統包解決方案的STM32+TCPP功能（圖源：STMicroelectronics）

部署USB Type-C Power Delivery的全部功能可能需要不同領域的專業知識，比如有線連接、電源管理、數據通信和身份驗證。STMicroelectronics STM32 MCU符合最新的USB PD r3.1規范。它們簡化了USB PD在嵌入式系統中的部署，實現了先進的應用功能。最新的STM32 MCU系列，如STM32G0、STM32G4、STM32L5和STM32U5系列，都內置了經過認證的USB PD控制器 (UCPD)。STM32G0是唯一內置2個UCPD控制器的系列，優化了采用雙USB-C連接器的應用的成本。UCPD外設現在可視為標準外設，就像I2C或ADC一樣，未來將在新的STM32系列中出現。

不使用USB-C PD時，只要CC線路下拉時的值正確（CC1和CC2線路通常為5.1k，兩條線路不得連接），任何MCU都可以使用。

但是，要享受USB-C PD帶來的快速充電優勢，MCU帶有UCPD，用其配套芯片TCPP來處理高壓控制和保護是最佳選擇。對于電池供電設備（通常是受電設備），STMicroelectronics TCPP01-M12為外部N溝道MOSFET集成了柵極驅動器，用于VBUS過壓保護，并使用分壓電橋設置外部可調OVP閾值。此外，它還在CC線路上提供系統級IEC61000-4-2 4級ESD保護，確保連接器引腳可承受最高+8kV的接觸放電。此外，這些CC 線路上的兩個集成FET將保護它們免受VBUS短路事件的影響。這兩個器件設計為在電池電量耗盡時完美配合：當STM32掉電時，TCPP01-M12會在CC線路上廣播自己的Rd（電池耗盡）電阻，當STM32重新上電時，供電端讀取CC線路上的電壓箝位并在VBUS上施加5V電壓后，TCPP01-M12會移除這些電阻。在正常情況下，只有檢測到USB-C電纜連接時，STM32才會為TCPP01-M12供電，以盡量延長電池壽命。這些都是使用其他解決方案難以實現的技巧。

使用STM32+TCPP01-M12組合芯片的主要好處是可以使用Nucleo擴展板X-NUCLEO-SNK1M1來體驗所有這些功能，感受Power Delivery協議的真正威力。值得高興的是，該擴展板及其免費軟件示例代碼X-CUBE-TCPP已通過USB-IF認證（測試ID：5205）。

未來展望

您在設計受電設備嗎？STMicroelectronics已經根據使用案例發布了一整套TCPP產品（TCPP02-M18為供電器件，TCPP03-M20為雙功能電源），并為每款產品提供了經濟實惠的Nucleo擴展板：X-NUCLEO-SRC1M1用于TCPP02-M18，X-NUCLEO-DRP1M1用于TCPP03-M20。每款擴展板的軟件示例代碼均可免費下載：X-CUBE-TCPP。

圖 4：助力USB-C Power Delivery解決方案開發的硬件和軟件工具（圖源：STMicroelectronics）

對于上面提到的每款硬件擴展板，都有豐富的文檔可用于快速啟動USB-C PD項目，例如快速入門指南、數據表、用戶手冊和完整的應用筆記列表。時間寶貴，您可以考慮使用AN5418：和AN5225：快速成為使用STM32 MCU實現USB-C Power Delivery的專家。