ST代理商：ST意法半導體TCPP02-M18應用于USB-C充電器
TCPP02-M18保護供電模式下的USB Type-C端口，防止VBUS引腳上的過電流和通信通道（CC線路）上的過電壓（最高24 V）。它是運行在STM32 MCU上的USB-C平臺的配套芯片，包括微控制器可訪問的電流檢測機制，以實現(xiàn)更出色的應用控制。TCPP02-M18是Type-C端口保護（TCPP），面向源端（供電）的器件，不像TCPP01-M12保護的是吸端模式（耗電）下的USB-C端口。雖然兩者有相似之處，比如CC1和CC2引腳上的系統(tǒng)級ESD保護（IEC61000-4-2 Level 4規(guī)定的±8 kV額定值），但它們應對的挑戰(zhàn)截然不同。為什么說當前階段的TCPP02-M18有著重要的意義？
規(guī)范統(tǒng)一帶來的新挑戰(zhàn)
歐盟委員會一直提倡充電設備使用USB-C連接器，由此帶來了新的挑戰(zhàn)。上周，歐洲議會頒布了一項新指令，要求在2024年秋季之前，所有手機都要強制使用通用USB-C充電接口。以前，許多公司會為自己的產(chǎn)品設計和附送特定的充電器。設計人員甚至使用稀有的桶式插孔，確保消費者只能使用對應品牌的充電器。在歐盟的這一措施下，所有設備都將使用同一款充電器。因此，工程師必須考慮更多極端例子，例如有缺陷的充電系統(tǒng)等。雖然上述措施主要的關注點是環(huán)境效益，但其帶來的電氣挑戰(zhàn)同樣不可忽視。
在諸多問題中，需要工程師著重解決的有三個，分別是：功率優(yōu)化、外形因素，以及成本。消費者希望使用更智能的充電器。因此，設計人員必須創(chuàng)造出能夠優(yōu)化功耗的應用程序，尤其是在充電器達到極限時。此外，消費者還希望充電器的尺寸進一步得到縮減，智能化程度也能繼續(xù)提高。畢竟，歐盟此舉的根本目的是減少電子垃圾。因此，要想解決以上三個問題，難度相當?shù)卮蟆?br />
STM32和TCPP02-M18將帶來更多優(yōu)勢
從傳統(tǒng)角度來看，工程師非常依賴于端口控制器。端口控制器的問題在于無法容納整個Cortex-M核心，且存儲容量較小，因而會給物料清單（BoM）增加的額外成本。除了USB-C端口，工程師們不能將它們用于其他用途，而在添加基本功能（比如電流檢測）時，通常需要在主板上集成更多的組件。因此，在縮小PCB尺寸與添加組件之間出現(xiàn)了矛盾，當中不僅需要開展大量的工作，還可能推遲上市發(fā)布。此外，控制器和保護裝置也需要外部PMOS晶體管，進一步增加了物料成本。
對于以上痛點，工程師設想了許多方案進行規(guī)避。例如，使用內(nèi)置USB-C PD控制器的STM32微控制器可實現(xiàn)龐大的計算吞吐量。由于更先進的控制，工程師們可以優(yōu)化各自的電源管理系統(tǒng)，甚至按照USB-C應用程序運行自己的整個固件，從而簡化整體開發(fā)。例如，可以將TCPP02-M18連接到STM32的ADC引腳，從而輕松地受益于即時電流傳感測量。簡單地說，工程師屆時將能以更直接的方式構(gòu)建功能更豐富的應用。
【帶有 USB-C 連接器、TCPP02-M18 和 STM32 MCU 的 USB-C 源應用程序】
尺寸與成本
使用STM32和TCPP02-M18或任何TCPP器件的另一個效果是減少了PCB上的組件數(shù)量。無需添加復雜的專用控制器或大量外部組件，就能創(chuàng)建穩(wěn)健的系統(tǒng)。因此，縮小設計尺寸將變得更加簡單。工程師也能得到更好的可靠性保證。事實上，器件越少，故障點也就越少。此外，STM32微控制器享有10年保修支持，而TCPP系列產(chǎn)品直接受益于我們的BIPOLAR-CMOS-DMOS（BCD）技術（圖片該技術近期被公認為IEEE發(fā)展史上的里程碑）。由于充電器現(xiàn)在必須應對廣泛的應用場景，所以必須滿足新的可靠性要求。
簡單、可靠的設計離不開經(jīng)濟劃算的物料成本和生命周期。如果工程師使用未集成USB-C PD控制器的STM32，則仍然可以使用TCPP02-M18來設計5 V / 3 A基礎應用。而那些集成了USB-C PD控制器的STM32可以管理最高20 V@5 V（100 W）。在這兩種情況下，STM32和TCPP02-M18有助于降低成本。此外，TCPP02-M18配套芯片包括一個充電泵，用于驅(qū)動更經(jīng)濟劃算的NMOS晶體管（而非PMOS器件）。
圖片
電源保護有哪些特殊之處？
VBUS保護
【TCPP02-M18特點】
USB應用者論壇（USB-IF）為供電模式下的USB-C端口定義了獨特的功能。例如，為另一個系統(tǒng)充電的產(chǎn)品必須監(jiān)測和控制電流。因此，TCPP02-M18具有過流保護功能，并在VBUS上集成了柵極驅(qū)動器。與之相對的是，用于受電設備的TCPP01-M12具有過電壓保護功能，因為接收電荷的產(chǎn)品必須協(xié)商電壓，并保護自己不受有缺陷的充電器或電纜的影響。另外，USB-IF將供電端口定義為冷連接器，即斷開電纜后，不會有電流流動。因此，斷開連接之后的TCCP02-M18有一個放電路徑，將電流重定向到接地。
CC和VCONN保護
USB-C是可反轉(zhuǎn)的連接器，無論哪一面朝上，電纜都可以插入端口。這是因為連接器使用兩個通信信道，一個在頂部（CC1），另一個在底部（CC2）。USB-C電纜只有一根CC線，依靠端口檢測電纜連接到的信道來確定方向。因此，保護CC線路是非常重要的。TCPP02-M18為CC線路提供最高6 V的過壓保護，防止與VBUS短路。該保護裝置還確保為通信信道提供高ESD保護。
插入USB-C電纜后，未使用的CC線路作為可選輸電線（如果需要），用于電纜和小型配件。例如，VCONN線路可以為電子標記線纜（EMCA）供電。后者包含的IC可以調(diào)理信號，以延長線纜長度。其中的挑戰(zhàn)在于，USB-IF將VCONN的功率設為0.1 W。因此，TCPP02-M18包括最高50 mA的過流保護和最高6 V的過壓保護，以防止與VBUS短路。
如何入門？
【NUCLEO-G071RB上的STEVAL-2STPD01】
要想快速入門USB-C供電產(chǎn)品設計，就需要借助STEVAL-2STPD01和X-NUCLEO-SRC1M1。第一個是雙端口參考設計，使用兩個TCPP02-M18和一個STM32G0（具有兩個USB-C PD控制器，以及功率共享功能）。實際上，STPD01可以共享120 W功率。因此，從理論角度來說，如果一個端口只給一臺遺留設備充電15 W，則另一個端口可以提供剩下的120 W。然而，STEVAL-2STPD01將每個端口所能提供的功率均限制為60 W（20 V@3 A）。開始設計時，工程師會獲得一張示意圖和一個軟件包STSW-2STPD01。
X-NUCLEO-SRC1M1是更傳統(tǒng)的子板，配有一個USB-C端口、一個TCPP02-M18，以及ST715高壓穩(wěn)壓器等其他組件，支持最高100 W的功率配置文件。工程師可以將其用于Nucleo板，板件上的MCU包含一個USB PD控制器，例如NUCLEO-G071RB、NUCLEO-G474RE，以及NUCLEO-G0B1RE。它使應用設計更加簡單直接，特別是在使用X-CUBE-TCPP驅(qū)動和中間件之后。此外，也可以使用X-NUCLEO-SRC1M1（不帶內(nèi)嵌USB PD控制器的MCU），例如NUCLEO-F446RE。但是，開發(fā)人員只會受益于采用該配置的5 V解決方案。
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在之前的介紹中，我們也為大家介紹了《意法半導體推出新的數(shù)字電源控制器》，也是目前我們主推的非常成熟的解決方案
編輯：zzy 最后修改時間：2023-06-05
