将USB Type-C电源传输添加到您的设计中！

简介

USB Type-C 电源传输（PD）在硬件设计中变得越来越普遍，为硬件提供了最高100W（在更新的2.1规范中甚至高达240W！）的供电或接电能力。在本文中，我们将探索USB Type-C 电源传输的基础知识，并学习如何轻松地将专用PD IC集成到您自己的设计中。

图1 USB Type-C PD 演示板

USB连接器及其相应的电缆，例如USB Type-A 和 Type-B，一直是大多数USB历史上数据和电源连接的标准。然而，这些接口在电源传输方面有其局限性。相比之下，USB Type-C 提供了一个更多功能的解决方案，具有更高的电流处理能力的引脚和用于电源协商的通信通道引脚。

图2 USB Type-C 连接器（来源：Farnell）

图3 USB-C 连接器引脚图（来源：All About Circuits）

我们特别感兴趣的引脚，尤其是对于电源传输来说，当然是电源和地线引脚（VBUS, GND）以及通信通道引脚（CC1, CC2）。这些CC引脚可以用来在设备（接收器和源）之间协商电源。

我们在这里不会详细讨论USB Type-C PD规范，但我强烈推荐您查看由德州仪器和USB-IF发布的两篇入门文章。

另外，请确保在这里查看基于USB Type-C PD的硬件设计的完整视频演练。

USB Type-C PD 控制器 IC

如果您只需要最多15W的电源，实际上一种非常简单的使用USB Type-C 传输的方法是不需要‘直接协商’。这是通过在您的设备上通过分别使用5.1k欧姆的电阻拉低CC1和CC1线来实现的。然而，请记住，这种方法不允许检查源是否支持这种功率。

图4 CC 5.1k 下拉电阻

将USB Type-C电源传输集成到您的设计中的更好方法是使用USB Type-C PD控制器IC。这些集成电路旨在处理协商和电源传输过程。各种制造商生产这些IC，提供不同的封装和功能以满足您的特定需求。确保使用Octopart来查看许多不同的USB PD IC选项！

图5 英飞凌USB-C PD IC（来源：英飞凌）

我们将重点介绍英飞凌CYPD3177，这是一款能够支持USB PD 3.0版本2.0的USB Type-C PD控制器，提供高达100瓦的电源传输（仅限接收）。这款IC能够非常容易地在USB PD协议内协商不同的电压和电流要求，并且不需要太多配置和外部电路。

此外，CYPD3177具有集成的I²C块，允许您使用外部主控制器来控制该设备。这为自定义和微调USB PD设置提供了机会，超出了基本的电压和电流设置。

原理图

幸运的是，英飞凌提供了非常好的数据手册，以及他们的评估板的硬件设计参考。我们需要创建原理图的所有信息都包含在这些文档中。

下面显示了一个简化的参考原理图：

图6 参考原理图（来源：英飞凌）

电源输入和USB Type-C连接器

连接到USB Type-C连接器的是VBUS和GND，以及CC1/CC2引脚。根据您的应用需求，确保添加ESD保护（如有必要，还需滤波）。

IC通过VBUS_IN引脚（引脚18）供电，并内部生成所需的电压，包括我们可以用于一些外部电路的低电流+3.3V供电。这非常方便，因为IC不需要额外的外部供电。
如参考原理图所示，我们在VCCD（引脚24）和VDDD（引脚23）处需要一些去耦电容。

电源输出和FETs

您可能已经注意到了原理图顶部的两组PFET晶体管。最顶部的一组由PD IC（VBUS_FET_EN，引脚3）控制，用作负载开关。通过CC线完成协商后，开关闭合，允许电源从连接到USB Type-C接口的源流向您设备的相关子系统。

下面的PFET组具有类似的开关功能。然而，只有在协商失败时，PD IC（SAFE_PWR_EN，引脚4）才会闭合这个开关，系统回退到VBUS线上的典型+5V（和较低的电流）。

需要根据数据手册的推荐选择合适的晶体管（例如，低损耗、足够的电流处理能力，以及适当的栅源和漏源电压限制），以及外部电路（电阻、电容和二极管）。您也可以遵循之前链接的参考设计来选择特定的部件。

设置电压和电流要求

PD IC可以通过前面提到的I²C接口（HPI_SDA和HPI_SCL，引脚12和13）控制，或者通过外部跳线电阻非常简单地控制（ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN, 和 VBUS_MAX, 引脚5, 6, 1, 和2）。

对于跳线电阻选项，相关引脚的电压在IC启动时被采样，这决定了协商电压的范围，以及所需的最大电流。下表显示了这一点：

图7 跳线电阻选项

杂项

前面的电路是我们需要的最小量，以使这个PD IC功能正常——如您所见，其中并不复杂！然而，根据您的具体应用，可能有一些额外的功能可能会有用。

例如，I²C引脚可以连接到主控制器以进行进一步配置，FLIP引脚（引脚10）可用于指示连接的USB Type-C电缆的方向，并设置设备是否具有数据能力，FAULT引脚（引脚9）指示源是否无法提供所需的电压或电流，或者是否检测到过电压事件。

PCB

尽管这个特定的PD IC采用的是QFN式封装，但其PCB设计非常直接。下图显示了在Altium Designer中，一个简单的双层板上集成的硬件，因为这个设计没有任何高频组件（“最快”的是I²C接口的上升/下降时间）。

顶层用于电源和信号布线，而底层专用于一个坚固、基本不间断的接地平面。这里没有使用后备供电选项。

图8 USB-C PD IC PCB (3D)

我们需要注意的是，我们的电源互连必须足够大，以减少直流电阻降，并保持温升在合理水平。我建议尽可能保持您的承载电源的走线（或多边形）尽可能短，并使用IPC-2221计算器计算所需的走线宽度。因此，功率处理组件，如PFET开关也应靠近相关的其他电源组件放置。
如果同一组件的两侧存在大的铜不平衡，目标是使用热释放来使装配过程更加容易。

此外，去耦和旁路电容应靠近PD IC的相关引脚放置。我们可以将“不太关键”的部件，如绑定电阻放在距离QFN封装IC较远的地方，因为这为我们展开设备留出了充足的空间。

图9 USB Type-C PD PCB布线

结论

本文概述了在您自己的硬件设计中实现USB Type-C电源传输的基础知识。正如我们所见，得益于专用的PD IC，这个过程非常直接，不需要许多额外的部件。

确保在这里查看完整的设计演练视频，它涵盖了一些更细节的内容，并跟随Altium Designer的免费试用版一起学习！