USB type C PD协议设计考量
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大家好 今天要给大家讲的是 我们关于 USB type C 的一些话题 大家都知道 USB type C 自从发布之后呢 已经越来越受到大家的广泛关注 市面上也逐渐出现了各种各样的 type-C 的一些终端产品 那么我们呢今天要讲的就是 关于这个新产品它里面 如果采用 USB type C 那么它对于我们的一些 Adapter 的离线电源的设计 会有什么影响 我们今天的课程呢 首先呢会介绍一下 USB type C 它的电源传输的要求 包括 PD 也包括非 PD 的一些要求 那么接下来呢我们会看 如果说我们的一个 AC/DC 的电源里面 要支持 USB type C 包括 PD 包括 非 PD 那么对于我们的一个 AC/DC 的电源 它的一个架构有一个什么样的挑战 我们的图里面呢 显示的是大家经常看到的一些 USB2.0/3.0 的一些接口 那么这里面呢又包括 Type-A 也包括 Type-B 一个接口 那么对于一个 Type-A 口来说 它是经常作为一个公口 然后呢向外输出能量 像我们的这些 B 口的话 更多的是作为一些作为 sink 然后接收能量的使用 那么对于 USB2.0 来说 Type-A 口和 Type-B 口呢它都只有四根线 但是呢在 USB3.0 里面 为了支持一个更高的一个传输速率 我们都会把它变成会有九根线 来支持一个高达 5G 或者 10G 以上的传输速率 那么对于 type C 口来说 它的主要变化有哪些呢 第一个就是说它是一个 能够用一个口走 USB2.0/3.0/3.1 的 也就是说它的接口里面的已经包含了 低速信号线跟高速信号线以及电源线 同时呢它也是能够支持一个正反插的功能 也就是不再像我们之前的 Type-A 口和 Type-B 口 要先辨别它的一个方向 才能够插入我们的一个端口里面 而对于我们的 Type-C 口来说 正插和反插都会是一样的效果 同时呢对于它的尺寸来说 我们的 Type-C 口的尺寸 跟我们现在看到的一个 Micro-B 口的尺寸基本是差不多的 所以说它的大小也有很大的一个改进 同时呢它也能够支持市面上 现在所有常见的一个数据格式 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 还有那个功率传输接口 为了兼容我们 Type-C 口 与传统的一些 Type-A 口 和 Type-B 口的设备 我们同样也定义了一些 比如说 C 到 C C 到 A C 到 B 的一些线缆 那么这样子的话就可以使我们的 新型的 Type-C 的设备 能够跟我们传统的一些 Type-A 口和 Type-B 口的设备 能够进行连接 那么很显然一个拥有Type-C口的设备 它就不再需要一些 USB2.0 的接口 USB3.1 的接口 HDMI 口 所有的口只需要用一个 Type-C 口 就能够解决所有的问题 我们传统的 USB 设备 它都能够支持一定的充电功率 那比如说 USB2.0 它能够支持 5V 0.5A 的一个充电功率 那么到了3.0呢 它支持 5V 0.9A 对于 BC1.2的话 它最大的充电功率能够达到 5V 1.5A 也就是 7.5W 的一个充电功率 那如果说还要再往上走 比如说要给我们的笔记本 或者是给我们的一些移动硬盘 或者电视机来进行充电 那么这个功率 7.5W 就明显是不足的 那这个时候呢我们就可以考虑到 基于一些 Type-C 跟 PD 的一个方案 这里我们需要特别指出的是 USB Type-C 跟 PD 并不是一个 绑定的一个充电架构 我们可以采用 USB Type-C 而不采用 PD 那么如果在这种情况下 也就是 USB Type-C 的一个非 PD 方式 那么在这种 Type-C 非 PD 方式下 我们可以支持 5V 1.5A 或者是 5V 3A 那么也就是最大到 15W 的一个充电功率 如果说这个时候 我们采用了一个 USB PD 的一个充电协议 那么我们的一个充电电压 可以最高达到 20V 充电电流最大也可以达到 5A 也就是说最大充电功率可以达到 100W 对于这个 100W 的充电功率来说 我们的笔记本或者小功率电视 这个充电功率是能够满足要求的 也就是说将来我们的所有的电气设备上 只要有了 Type-C 口 那么就有可能它能够达到 最大 100W 的一个充放电功率 来给我们的各种电气设备供电 那这样子就可以大大的减少 各种端口的一个浪费 对于一个 Type-C 和 PD 系统来说呢 它的一个数据传输方法 跟功率传输方法是互相独立的 那么对于我们的一个功率传输方法 我们可以把它分成三种 那么有的 Type-C 口 它是只作一个输出的功能 也就是它只是对外输出一个能量 那我们把它称作一个 DFP 这个比较常见于我们的一些 墙插 以及车载的一个充电器 那么也有的 Type-C 口 它是只作接收能量的使用 也就是它只能够从 Type-C 口 接收外部提供的能量 那么我们称这种端口称作一个 UFP 那这种常见的一个应用就是一些 通过 USB 供电的一些设备 比如说像 USB 台灯 当然也有的 Type-C 口 既能够作为能量输出的一个 DFP 也能够作为能量输入的 UFP 那么这种呢我们就称之为一个 DRP 的一个 Type-C 口 那么它的最主要的一个特点就是说 能量可以在这个口里面做一个双向流动 这种比较常见的应用 就是像我们的一些充电宝 那么对于数据的传输呢 跟我们的一个功率传输方法就比较类似 数据的传输也同样是可以作为一些 单向输出 单相输入 以及双向数据交换的一个方法 那么推动我们的 Type-C 作为一个 大一统的接口的一个主要推动力 就是我们越来越多的电子垃圾 那么据联合国统计 我们每年大概会有 三十万多的一个电子废品产生 这些电子废品就来源于 我们生活当中使用的各种电子设备 包括手机 电脑 显示器 平板之类的 因为我们知道每一台设备 在给我们标配的时候都会带一个适配器 那么随着我们的电子设备使用完 那么这种各种各样的适配器 因为接口的不一致 就有可能无法再次重新使用 这样子就形成一些新的电子垃圾 对于 USB PD 来说 它有一个重要特点就是 它的一个最大输出功率跟输出电压 是成一个单调的关系 那如果说一个适配器 它要获得一个 PD 认证 它就必须要能够支持 PD 所规定的四种标准电压 那分别是 5V 9V 15V 和 20V 同时的话输出的电压 是跟适配器的一个最大功率有关系的 比如说对于一个 15V 的一个适配器 它只需要支持一个 5V 3A 就可以了 那如果是一个是 27W 以下的 那它必须要能够支持 9V 3A 那如果是在 15W 以内的话 那么 5V 9V 15V 都需要支持 当然如果是在 45W 以上 比如说是一个 60W 的一个适配器 那么 20V 的输出电压就必须得到支持 同时 USB PD 的一个规范 也允许非 5V 9V 15V 20V 这四类电压档之外的电压存在 比如说 12V 那么我们可以在一个适配器里面 加入 12V 来兼容我们的现有的 市面上的各种 12V 的电子产品 这个图给出了我们 Type-C PD 的 一个简单握手流程 首先我们 Type-C 的一个接口 在没有接任何东西的时候 它的 VBUS 电压是等于零的 那这时候如果说有一个 Sink 或者一个 UFP 接进来之后 会在它的 CC 脚上检测到一个电阻 它会使我们的一个适配器 开始输出一个 5V 在 VBUS上 那么这个时候 VBUS 上能够输出一个 5V 对于 USB2.0 的话它是 0.5A 3.0 的话是 0.9A 的一个电流 那么有了 VBUS 这个 5V 之后呢 我们的两端的一个 Type-C 设备 就会通过 CC 线进行握手 那么我们的 Adapter 就会向我们的一个从端设备 广播它能够支持的一个各种各样的 功率 电压 电流 那么我们从端就能够接收到这个信号 在 CC 上识别出来 然后呢与自己所需要的 一个电压电流功率进行匹配 那么双方进行一个交互的通信 最终我们主端和从端都能够获得一个 大家都能够接受的一个功率等级 然后我们的适配器 会把我们的 VBUS 电压调整到 我们所想要的一个输出电压比如说 20V 那么对于一个 USB type C 的适配器 也就是 DFP 的一个 PD 系统来说 它一般会有四种的一个结构方式 那么第一种是一个单口的输出 而且这个单口输出只支持 5V 那么第二种结构方式就是说 它也是只支持 5V 输出 但是呢可能会有多个 type-C 口 作为一个输出口 第三种的一个结构方式有可能就是说 它是一个单口的一个 type-C 的一个口 但是它是会支持一个 USB PD 的一个输出方法 那么有可能就是说 会支持 5V 9V 15V 20V 第四种可能的一个结构呢就是说 是一个多口的系统 同时呢它也是支持一个 type-C PD 的充电方式 也就是说每个口上 它都能够支持一个 PD 的一个输出 那么这以上四种 就是我们对于一个 type-C 的适配器来说 有可能存在的四种方式 我们先来看对于一个 5V 输出时候的 一个整个系统的要求 那么 5V 输出的时候呢 我们这个时候依然要遵从一个 USB2.0 或者 3.1 的一个规范要求 比如说它会要求我们 5V 的一个 VBUS 电压 它是要最小值 4.75 最大呢不能超过 5.5V 那么在这个范围之内的 VBUS 电压 那么这个电压范围呢其实就包含了 我们所有有可能存在的各种各样的误差 那包括是那就包括我们 AC/DC 的本身的 一些调整的一些精度的误差 以及随着我们的输入电压 或者随着我们的一个负载电流 那么输入电压的一个波动率 那么第三个呢 也就是我们作为一个开关电源 它本身的一些开关电源的输出纹波 我们考虑到以上 所有的各种误差信号之后呢 都要保证我们的一个 VBUS 电压呢 都必须要在我们的 4.75 到 5.5V 之间 当我们的一个 USB 负载 发生一个负载跳变的时候呢 它依然会要求我们的 VBUS 电压 必须要在最小值和最大值之间 当然了我们这些提到的一些 VBUS 电压 必须要呢会是在 我们的 type-C 的一个端子上 然后测试到的一个真实的电压 对于一个单口 type-C 输出 5V 的适配器来说呢 它的 AC/DC 设计呢跟我们传统的一个 type-A 的 适配器来说并没有一个很大的区别 那么这里呢有一个主要的改动就是 我们的一个 type-C 口 有可能呢它会需要支持到一个 5V 3A 那么相比于我们传统的一个 type-A 口 只能支持到一个 5V 2.1A 的一个电流情况呢 它的负载电流发生了一个比较大的改变 负载电流由之前的 2A 上涨到 3A 之后呢 往往这个时候我们为了降低 整个系统的一个导通损耗 会要求在我们 AC/DC 的副边的一个整流管上 要采用一个同步整流的方式 另外一个大家需要注意到的地方就是说 基于我们 type-C 本身的一些规范要求 我们这个时候必须要在我们的 type-C 口的一个端口上 放置一个端口控制器 那么这个端口控制器主要就是作两个作用 第一个作用呢就是 它控制一个 CC 的一个信号 然后与外部的一个 type-C 的设备进行通信 来确定我们要输出的一个电压和电流 那么同时呢我们这个端口控制器 也能够控制在我们的 AC/DC 的输出 跟我们端口的 VBUS 之间的一个管子 能够确保我们的端口 在没有接任何东西的时候 我们的 AC/DC 输出 跟我们的一个 type-C 的 VBUS 是实现断开的 那么在这里呢我们 TI 有两种方案可以选 那么第一个就是用 TPS25810 这是一个高度集成的一个方案 它集成了一个 type-C 的一个端口控制器 以及我们 VBUS 跟我们 AC/DC 输出之间的 一个阻断的一个管子 那么第二种控制方式是采用一个 TUSB321 那么这个时候呢 我们就需要在外面加一颗 PMOS 管子 来实现我们 AC/DC 输出 跟我们 VBUS 的一个阻断 对于我们这个只有一路 5V 输出的一个 AC/DC 来说 它的主控芯片呢 可以考虑采用一个 PSR 控制的一个芯片 那么采用 PSR 控制芯片呢 就不需要副边的 431 跟光耦进行反馈 可以使我们整个系统的成本呢做到最优 同时呢也能够使我们的一个调整率 也能够满足 我们 5V 输出的一个电压精度的要求 这个图里面就是我们做的一个 5V 单路输出的 AC/DC 参考设计 那么我们在这个里面用的是一个 UCC28740 它是一个准谐振的控制器 然后副边呢用的是我们 UCC24636 SR 一个的控制器 来控制我们的副边的一个同步整流管 它能够实现同步整流管 近似于一个二极管的一个工作模式 我们的输出 我们的 ACDC 的 5V 输出呢 最终会到达我们的一个 type-C 的一个子卡上 在这个子卡上呢 有我们 type-C 的一个接口 以及端口的控制器 那么这样子就形成一个整个的 5V 单口输出的一个 type-C 的系统设计 这里左边图呢 是我们这个参考设计的一个照片 我们可以看到我们的 AC/DC 输出呢 最终是接到我们的一个很小的子卡上 这个子卡上呢通过 type-C 口进行输出 那么右边呢是我们整个系统的效率 那么我们可以看到我们的 AC/DC 可以在 5V 3A 输出的时候呢 做到一个 86.5% 以上的一个效率值 假如我们遇到一个 5V 输出 有多个输出的口的一个设计 那么我们这个时候呢可能就不仅仅就是说 会是两个或者三个 type-C 口 那有可能呢会是一个 type-A 口 或者是一个 type-C 口混合的一种方式 那么这个时候呢我们对于每个 type-C 口 它都需要有一个独立的一个端口控制器 来确保呢我们的那个 type-C 口上呢 一些 CC 的通信以及 VBUS 控制 都能够满足我们 type-C 的一个规范要求 那么对于这种应用的一个场合呢 基本上就是说因为多口输出 它的一个总体的一个输出功率 都一般会大于 15W 所以呢会需要我们在 AC/DC 的一个副边呢 加一个同步整流来降低我们的导通损耗 同时呢因为有多口输出 我们这个时候会推荐用一个 副边反馈的控制方式 来确保我们 ACDC 的输出的一个电压 能够达到一定的精度 但是因为我们是多口输出 我们无法保证每一个输出口上 都达到一个相同的一个电压精度 左下角这个图是我们做的一个 5V 输出 但是多口的一个参考设计 那么这里呢是一个 type-A 口 和 type-C 口的一个结合 我们首先来看整个系统的一个架构 AC 输入之后呢它会经过一个 25W的一个隔离的 ACDC 电源 然后呢形成一个母线的 5V 电压 那么在这个 5V 的母线电压上 它能够支持最大 5A 的输出 在这个时候呢它就分了两路 一路呢就是会通过我们的一个端口控制器 比如说像我们的 TPS25810 然后输出一个 5V 3A 到我们的一个 type-C 口 同时呢在我们的 ACDC 输出母线上呢 它还可以接一个 2A 的一个 USB 的电流控制器 比如说像 TPS2559 来给我们后端的一个 type-A 口 做一个 2A 的一个输出 那么总体呢一个输出功率 就会达到 5V 5A 也就是25W 那么对于一个适配器 如果它要支持一个 PD 的充电方式 它在一些电压精度上 有什么特殊的新的要求呢 根据我们前面对 PD 的一个描述 它实际上跟我们 5V 最大的区别就是说 我们支持了 PD 之后呢也就是意味着 我们有可能在我们的一个适配器上 会输出不同于 5V 的新电压 那包括是 9V 15V 或者 20V 那么对于这些新的一个电压等级 对它的一个电压精度的一个要求呢 它实际上跟我们的 5V 是一致的 也就是说它在新的一个电压等级下 它的一个最小和最大电压的一个范围 必须要包含它在 DC 工作时候的一个 调整率的一个精度 那在输入输出电压变化的时候一个 调整率的精度 以及它的一些纹波的一个要求 那么右边的这个图里面呢 就给出了在不同的一个 新的电压的一个范围下 它的一个最小值和一个最大值 我们所有的这些电压值 都必须要在我们的一个端口的 VBUS 上 来进行一个测量 对于一个 type-C 适配器来说呢 它的输出电压呢可能不是 5V 那么这个时候呢就有可能 需要把它的一个输出电压呢 从 5V 调到一个新的一个电压 那么这个时候呢电压调整就有一些要求 那么这个时候新的一个输出电压 必须要在我们标称电压的一个 ±5% 的误差之内 同时呢我们在这个电压调整过程当中 出现的一个电压过冲或者跌落 不能够超过 ±0.5V 同时呢我们在电压变化的一个斜率呢 必须要小于一个 30mV/us 的一个速度 上升的时间呢需要控制在 275 个毫秒之内 那么我们整个的一个适配器 要完成这个输出电压变化的过程的时间 不能够超过 285 个毫秒 这个呢就是对我们在做一个电压调整的时候的 一些具体的指标要求 如果这个时候我们适配器的负载电流呢 发生了变化 那么我们这个时候的规范就是 必须要保证第一个我们的输出电压呢 依然是在我们有效的电压幅度之内 也就是我们前面提到的那些 ±5% 的幅度之内 同时呢在我们的一个负载动态跳变的时候 我们的一个输出电压 能够恢复到我们正常的一个稳态值 所需要的时间不超过五个毫秒 在我们了解了一个 type-C PD 的一个规范要求之后 我们来看我们要怎么样设计一个 单口的一个支持 type-C PD 的一个 AC/DC 那么考虑到我们 type-C PD 的一些功率的等级 我们认为呢反激是最好的一个拓扑 在我们这个 type-C PD 的适配器里面应用反激 首先可以是非常简单 以及获得一个非常低的一个设计成本 那么第二个我们的反激拓扑 它也能够很好地适应一个 很宽的一个输入电压范围 以及很宽的一个输出电压范围 那么最后呢我们的一个反激拓扑 也可以达到一个比较好的一个效率 以及满足我们一些能源之星 或者 DOE 的一些待机功耗的一个要求 这个时候为了满足我们 type-C PD 的一个要求 比如说它是会需要我们的调整 type-C PD 的一个输出的一个电压 那么这个时候我们是需要采用到一个 副边的一个调整方式 来实施动态的根据 type-C 握手的结果 来调整我们的 VBUS 电压 那么我们原边 OUT 上的一个电压 实际上跟我们副边的输出电压是成正比的关系 在一个这么大的范围之内 我们往往需要呢在原边 把原边辅助绕组上的一个电压钳位到一个 能够让我们芯片正常接收的一个 VDD 的一个范围之内 这里呢是我们 TI 设计的一个 支持单口 PD type-C 的一个 AC/DC 方案 它是用一个 UCC28740 作为一个 主控的一个 AC/DC 的芯片 然后采用的也是一个副边反馈的一个方式 原边这里呢像我们刚刚提到的 它需要呢在我们的辅助绕组 跟我们芯片的 VDD 之间加一个钳位电路来确保 给我们的芯片 VDD 供电电压范围的稳定性 同时在我们的副边输出端呢我们也有Q9 作为阻断的开关来确保我们的 VBUS 电压 在没有接任何负载的时候是为零的 同时呢我们的一个同步整流管的一个驱动芯片呢 也是采用了一个 UCC24636 然后呢来降低我们同步整流管的导通损耗 对于我们这个 type-C 端口的一个控制器呢 我们用的是 TI 的 TPS25740 它是一个全模拟的 USB type-C PD 的控制芯片 能够自动完成一些 PD 的握手 然后呢调整我们副边反馈 431 的一个参考 那么这个图里面就是我们这个 TPS25740 的一个详细的一个电路图 左边这个照片呢就是我们刚刚提到的 支持单口 USB type-C PD 的一个参考设计 那么它的名称叫 PMP11451 大家如果对这个设计感兴趣的话 就可以直接上我们的 TI 的官网 然后搜索 PMP 的 Number 号 然后呢它上面有所有的一些设计的文档 包括原理图包括 PCB 以及一些测试报告 右边就是我们参考设计的一个效率测试的图 那么我们来看 对于一个有多口输出的 PD 适配器来说 它有哪些挑战呢 首先我们可能看到就是说 如果是要支持多口的 PD 输出的话 那么这个系统会非常复杂 因为每一个 PD 口 它可能所输出的电压都不一样 那么我们要保证每一个口 它都能够独立的输出不同的电压 那么会必然会导致呢 我们的系统会变得非常复杂 但是呢这里有一个好处就是说 我们的一个 type-C PD 的一个协议里面 它允许我们的每一个口的一个 所能够的广播的一个电压以及功率 它能够实时的一个动态的变化 那么这个特性呢非常有用 我们稍后呢会重点给大家讲到 回来看如果要支持一个 多路 PD 口输出的一个 AC/DC 来说呢 我们一般呢会想到有两种方案 那么第一种方案呢就是说 我们可以呢产生一个 不同输出电压的一个多路输出轨 比如说我要支持一个 5V 9V 15V 20V 那么我把四路电压我都先把它输出来 那么哪个端口需要哪路电压 直接通过一些 load switch 直接就是把我们端口的输出呢 切换到一个相应的一个电源轨上 来实现一个输出 那么第二种方式呢 我会采用一个中间母线的方式 就是我会呢比如说会 先用一级 AC/DC 先产生一个中间的一个电压 然后呢在后面带一些非隔离的一些 DC/DC 把我们的中间电压呢 降到我们想要输出的一个真正电压 那么这样子来实现一个后级的第二次调整 我们这里这个图里面呢 就给出了第一种方法的一个简单框图 我们来看首先呢我们的一个 AC 输入 它会经过一个 90W 的一个 AC/DC 那么这个 AC/DC 呢 它会输出三路的一个电源轨 有 5V 9V 15V 那么都是作为一个不同的一个输出电压 它们之间是相互独立的 这个时候呢 我们有两个 type-C 的一个输出口 那么每个 type-C 的输出口上呢 都需要能够支持 5V 9V 15V 3A 的一个功率 那么因为每个 type-C 口 它同时输出的一个电压电流都可能不一样 那么我们这个时候呢可以通过我们的一个 type-C 的一个端口控制器 来确定我们的 type-C 端口 需要输出一个什么样的一个电压 然后相应的把我们这个 type-C 呢 它的一个端口就接到一个相应的一个电源轨上 来实现一个电压的一个输出 那么这两个的一个端口的控制呢 都是互相独立的 那么这样子的一个好处呢就是说 因为我们的一个 AC/DC 到我们的一个输出端呢 中间没有第二级的一个支路 那么它是一个单级的一个 AC/DC 的一个拓扑 那么这样子整个系统的一个效率会非常高 但是呢在这种应用里面呢 我们往往会是一个三路独立输出的反激电源 我们的反馈呢只能调节到某一个支路上 其它两个支路上 它的一个电压调整率会变得非常差 同时的话要输出三个电压支路 而且每个电压支路上的电流都必须要保证 3A 那么会导致我们这个 AC/DC 会变得很大 而且很难设计 我们前面也提到我们要控制我们每路的一个输出 比如说是由一个 5V 到 15V 的一个 电压切换的时候一个 电压上升的一个电压斜率控制 那么很显然在我们的这个设计里面 就无法做到能够控制这个电压的一个 上升或者下降的一个斜率 最后一个缺点就是说 我们要保证两路端口都能够独立输出一个 最大 45W 的一个功率 所以说我们必须要设计一个 90W 的一个 AC/DC 电源 那实际上我们两个 C 口在很多场合下 它都不会输出一个 90W 就可能会导致我们的 AC/DC 一个设计的能量上的浪费 那么我们再来看第二种选项 第二种选项它会由我们的 AC/DC 进来之后呢先经过一级的一个 AC/DC 然后产生一个 17V 的一个中间母线 然后呢这个 17V 的中间母线呢 它会分成两路 那么每路呢它都会经过一个非隔离的一个 同步整流的一个 Buck 电路 然后同步整流 Buck 电路 它能够把我们的 17V 降压为 5V 9V 或者 15V 然后这个电压最终是输出到我们 type-C 口的一个端口上 两路的电路呢都是采用一个相同的结构 那么这样的一个做法呢 就会使我们的一个 type-C 口的输出呢 它的一个电压调整的一个精度会比较好 因为呢它这个电压呢 是由我们这个非隔离的一个 Buck 来提供的 同时的话它对我们的 AC/DC 来说呢 它会相对来说设计比较简单 因为它只有一路输出 那么呢对于两路 type-C 口的输出的一个电压呢 它也可以分别作为单独的调节 也能够控制它的一个上升的斜率 但是呢它的一个最大缺点就是说 因为采用了两级的一个电路 第一级是 AC/DC 第二级是 DC/DC 的 Buck 会使我们整个系统的效率呢损失非常大 同样的我们的 AC/DC 呢 也必须要按照 两路输出的最大功率 90W 来做设计 那么这样呢也会导致我们的 AC/DC 它本身的一个设计容量上的一个浪费 那么我们这里呢针对第二种方法呢 做了一个优化 我们在这种两级的一个拓扑里面 加入了一个端口 功率动态调整的一个功能 也就是说它使我们每个 type-C 口 它都能够根据另外一个口的一个连接情况 动态的调整本身的一个 广播的一个功率和电压 我们前面也提到我们 type-C 的一个 PD 的一个协议里面有个特点就是说 它允许我们 type-C 控制芯片呢 向外不停的广播我们 所能够支持的一个电压和功率等级 也就是说我们在任何时候呢 都可以通过我们的一个端口控制器 向外广播我们所能够支持的一个 电压和功率的一个范围 那么我们利用这个功能呢就可以实现 端口的一个动态功率调整 比如说我们两个的 type-C 口 它能够支持 PD 功能 当我们的一个 type-C 口 外接一个 type-C 负载之后呢 我们相应的这个口的一个 type-C 的一个端口控制器呢它会发出一个信号 然后指示我们另一个端口的一个 type-C 的一个端口控制器 使它呢能够把另外一个端口 向外广播的一个功率等级降低 来确保我们两个端口 都同时对外输出的时候呢 它的总共的一个输出功率 不会超过我们 AC/DC 所能允许的一个最大功率 如果说我们这两个 type-C 口当中 只有任何一个口有连接的时候呢 它都能够按照我们 AC/DC 的 最大输出功率来进行输出 那么在我们之前的一个设计案例里面 我们的一个 type-C 口 它能够支持 5V 9V 15V 然后 3A 最大 45W 的一个输出 假设我们两个端口中只有一个端口它有连接 它都能够随时输出一个 45W 那么当这个两个端口都有连接的时候呢 每个端口它都只能输出一个 45W 的一半 来实现一个总功率的一个动态调整 所以说采用了这种端口的 功率动态调整的方法之后呢 我们的整个 AC/DC 的设计功率呢就可以大大降低 考虑到我们不同的连接情况 对于我们的 AC/DC 来说呢 它最大的一个输出功率都不会超过 45W 也就是说我们在做这个 AC/DC 的设计时候 只需要按照做一个 45W 的一个设计就可以了 那这样子可以大大的降低 我们整个电源板的一个尺寸以及成本 那么这样子做的一个唯一的缺点就是 对于用户来讲它在两个端口都插上的时候 充电的速率可能无法达到 最大 90W 的一个充电功率 我们这一页的两个照片呢 其实上就是给出了我们前面 加入了端口动态功率调整功能的电源参考设计 它是 PMP11372 大家可以通过我们的官网呢 来搜索这个设计的一个所有的参数 那么它上面的一个第二级 包括那个非隔离的一个 Buck 电路 以及我们 type-C 端口的一个控制器 也就是我们的 PMP20172 那么当这两个板子叠在一起的时候呢 就形成了我们整个的一个 端口 type-C PD 的一个电源参考设计 那么对于这两个参考设计呢 我们第一级的 AC/DC 可以做到 93% 的效率 第二级的 DC/DC 可以做到 98% 的效率 同时呢我们的 AC/DC 跟 DC/DC 都可以按照相同的一个功率等级来进行设计 所以我们看到我们的 AC/DC 尺寸 有了一个大幅度的一个减小 最后我们对所讲内容做一个总结 那么首先介绍了 type-C 的一些基本的要求 以及对于 PD 的设计来说 它有哪些动态或者静态的一些指标要求 然后呢我们分析了对于一个 只输出 5V 的一个适配器来说 它有哪些新的要求 对于 PD 的一个适配器来说呢 先来看了一个单口的一个 PD 设计 最后呢也是最复杂的 我们分析了这种支持 type-C PD 的 多路输出的一个适配器 它所需要注意到的一些特殊的地方 以上呢就是我今天要所讲的所有内容 谢谢大家
大家好 今天要给大家讲的是 我们关于 USB type C 的一些话题 大家都知道 USB type C 自从发布之后呢 已经越来越受到大家的广泛关注 市面上也逐渐出现了各种各样的 type-C 的一些终端产品 那么我们呢今天要讲的就是 关于这个新产品它里面 如果采用 USB type C 那么它对于我们的一些 Adapter 的离线电源的设计 会有什么影响 我们今天的课程呢 首先呢会介绍一下 USB type C 它的电源传输的要求 包括 PD 也包括非 PD 的一些要求 那么接下来呢我们会看 如果说我们的一个 AC/DC 的电源里面 要支持 USB type C 包括 PD 包括 非 PD 那么对于我们的一个 AC/DC 的电源 它的一个架构有一个什么样的挑战 我们的图里面呢 显示的是大家经常看到的一些 USB2.0/3.0 的一些接口 那么这里面呢又包括 Type-A 也包括 Type-B 一个接口 那么对于一个 Type-A 口来说 它是经常作为一个公口 然后呢向外输出能量 像我们的这些 B 口的话 更多的是作为一些作为 sink 然后接收能量的使用 那么对于 USB2.0 来说 Type-A 口和 Type-B 口呢它都只有四根线 但是呢在 USB3.0 里面 为了支持一个更高的一个传输速率 我们都会把它变成会有九根线 来支持一个高达 5G 或者 10G 以上的传输速率 那么对于 type C 口来说 它的主要变化有哪些呢 第一个就是说它是一个 能够用一个口走 USB2.0/3.0/3.1 的 也就是说它的接口里面的已经包含了 低速信号线跟高速信号线以及电源线 同时呢它也是能够支持一个正反插的功能 也就是不再像我们之前的 Type-A 口和 Type-B 口 要先辨别它的一个方向 才能够插入我们的一个端口里面 而对于我们的 Type-C 口来说 正插和反插都会是一样的效果 同时呢对于它的尺寸来说 我们的 Type-C 口的尺寸 跟我们现在看到的一个 Micro-B 口的尺寸基本是差不多的 所以说它的大小也有很大的一个改进 同时呢它也能够支持市面上 现在所有常见的一个数据格式 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 还有那个功率传输接口 为了兼容我们 Type-C 口 与传统的一些 Type-A 口 和 Type-B 口的设备 我们同样也定义了一些 比如说 C 到 C C 到 A C 到 B 的一些线缆 那么这样子的话就可以使我们的 新型的 Type-C 的设备 能够跟我们传统的一些 Type-A 口和 Type-B 口的设备 能够进行连接 那么很显然一个拥有Type-C口的设备 它就不再需要一些 USB2.0 的接口 USB3.1 的接口 HDMI 口 所有的口只需要用一个 Type-C 口 就能够解决所有的问题 我们传统的 USB 设备 它都能够支持一定的充电功率 那比如说 USB2.0 它能够支持 5V 0.5A 的一个充电功率 那么到了3.0呢 它支持 5V 0.9A 对于 BC1.2的话 它最大的充电功率能够达到 5V 1.5A 也就是 7.5W 的一个充电功率 那如果说还要再往上走 比如说要给我们的笔记本 或者是给我们的一些移动硬盘 或者电视机来进行充电 那么这个功率 7.5W 就明显是不足的 那这个时候呢我们就可以考虑到 基于一些 Type-C 跟 PD 的一个方案 这里我们需要特别指出的是 USB Type-C 跟 PD 并不是一个 绑定的一个充电架构 我们可以采用 USB Type-C 而不采用 PD 那么如果在这种情况下 也就是 USB Type-C 的一个非 PD 方式 那么在这种 Type-C 非 PD 方式下 我们可以支持 5V 1.5A 或者是 5V 3A 那么也就是最大到 15W 的一个充电功率 如果说这个时候 我们采用了一个 USB PD 的一个充电协议 那么我们的一个充电电压 可以最高达到 20V 充电电流最大也可以达到 5A 也就是说最大充电功率可以达到 100W 对于这个 100W 的充电功率来说 我们的笔记本或者小功率电视 这个充电功率是能够满足要求的 也就是说将来我们的所有的电气设备上 只要有了 Type-C 口 那么就有可能它能够达到 最大 100W 的一个充放电功率 来给我们的各种电气设备供电 那这样子就可以大大的减少 各种端口的一个浪费 对于一个 Type-C 和 PD 系统来说呢 它的一个数据传输方法 跟功率传输方法是互相独立的 那么对于我们的一个功率传输方法 我们可以把它分成三种 那么有的 Type-C 口 它是只作一个输出的功能 也就是它只是对外输出一个能量 那我们把它称作一个 DFP 这个比较常见于我们的一些 墙插 以及车载的一个充电器 那么也有的 Type-C 口 它是只作接收能量的使用 也就是它只能够从 Type-C 口 接收外部提供的能量 那么我们称这种端口称作一个 UFP 那这种常见的一个应用就是一些 通过 USB 供电的一些设备 比如说像 USB 台灯 当然也有的 Type-C 口 既能够作为能量输出的一个 DFP 也能够作为能量输入的 UFP 那么这种呢我们就称之为一个 DRP 的一个 Type-C 口 那么它的最主要的一个特点就是说 能量可以在这个口里面做一个双向流动 这种比较常见的应用 就是像我们的一些充电宝 那么对于数据的传输呢 跟我们的一个功率传输方法就比较类似 数据的传输也同样是可以作为一些 单向输出 单相输入 以及双向数据交换的一个方法 那么推动我们的 Type-C 作为一个 大一统的接口的一个主要推动力 就是我们越来越多的电子垃圾 那么据联合国统计 我们每年大概会有 三十万多的一个电子废品产生 这些电子废品就来源于 我们生活当中使用的各种电子设备 包括手机 电脑 显示器 平板之类的 因为我们知道每一台设备 在给我们标配的时候都会带一个适配器 那么随着我们的电子设备使用完 那么这种各种各样的适配器 因为接口的不一致 就有可能无法再次重新使用 这样子就形成一些新的电子垃圾 对于 USB PD 来说 它有一个重要特点就是 它的一个最大输出功率跟输出电压 是成一个单调的关系 那如果说一个适配器 它要获得一个 PD 认证 它就必须要能够支持 PD 所规定的四种标准电压 那分别是 5V 9V 15V 和 20V 同时的话输出的电压 是跟适配器的一个最大功率有关系的 比如说对于一个 15V 的一个适配器 它只需要支持一个 5V 3A 就可以了 那如果是一个是 27W 以下的 那它必须要能够支持 9V 3A 那如果是在 15W 以内的话 那么 5V 9V 15V 都需要支持 当然如果是在 45W 以上 比如说是一个 60W 的一个适配器 那么 20V 的输出电压就必须得到支持 同时 USB PD 的一个规范 也允许非 5V 9V 15V 20V 这四类电压档之外的电压存在 比如说 12V 那么我们可以在一个适配器里面 加入 12V 来兼容我们的现有的 市面上的各种 12V 的电子产品 这个图给出了我们 Type-C PD 的 一个简单握手流程 首先我们 Type-C 的一个接口 在没有接任何东西的时候 它的 VBUS 电压是等于零的 那这时候如果说有一个 Sink 或者一个 UFP 接进来之后 会在它的 CC 脚上检测到一个电阻 它会使我们的一个适配器 开始输出一个 5V 在 VBUS上 那么这个时候 VBUS 上能够输出一个 5V 对于 USB2.0 的话它是 0.5A 3.0 的话是 0.9A 的一个电流 那么有了 VBUS 这个 5V 之后呢 我们的两端的一个 Type-C 设备 就会通过 CC 线进行握手 那么我们的 Adapter 就会向我们的一个从端设备 广播它能够支持的一个各种各样的 功率 电压 电流 那么我们从端就能够接收到这个信号 在 CC 上识别出来 然后呢与自己所需要的 一个电压电流功率进行匹配 那么双方进行一个交互的通信 最终我们主端和从端都能够获得一个 大家都能够接受的一个功率等级 然后我们的适配器 会把我们的 VBUS 电压调整到 我们所想要的一个输出电压比如说 20V 那么对于一个 USB type C 的适配器 也就是 DFP 的一个 PD 系统来说 它一般会有四种的一个结构方式 那么第一种是一个单口的输出 而且这个单口输出只支持 5V 那么第二种结构方式就是说 它也是只支持 5V 输出 但是呢可能会有多个 type-C 口 作为一个输出口 第三种的一个结构方式有可能就是说 它是一个单口的一个 type-C 的一个口 但是它是会支持一个 USB PD 的一个输出方法 那么有可能就是说 会支持 5V 9V 15V 20V 第四种可能的一个结构呢就是说 是一个多口的系统 同时呢它也是支持一个 type-C PD 的充电方式 也就是说每个口上 它都能够支持一个 PD 的一个输出 那么这以上四种 就是我们对于一个 type-C 的适配器来说 有可能存在的四种方式 我们先来看对于一个 5V 输出时候的 一个整个系统的要求 那么 5V 输出的时候呢 我们这个时候依然要遵从一个 USB2.0 或者 3.1 的一个规范要求 比如说它会要求我们 5V 的一个 VBUS 电压 它是要最小值 4.75 最大呢不能超过 5.5V 那么在这个范围之内的 VBUS 电压 那么这个电压范围呢其实就包含了 我们所有有可能存在的各种各样的误差 那包括是那就包括我们 AC/DC 的本身的 一些调整的一些精度的误差 以及随着我们的输入电压 或者随着我们的一个负载电流 那么输入电压的一个波动率 那么第三个呢 也就是我们作为一个开关电源 它本身的一些开关电源的输出纹波 我们考虑到以上 所有的各种误差信号之后呢 都要保证我们的一个 VBUS 电压呢 都必须要在我们的 4.75 到 5.5V 之间 当我们的一个 USB 负载 发生一个负载跳变的时候呢 它依然会要求我们的 VBUS 电压 必须要在最小值和最大值之间 当然了我们这些提到的一些 VBUS 电压 必须要呢会是在 我们的 type-C 的一个端子上 然后测试到的一个真实的电压 对于一个单口 type-C 输出 5V 的适配器来说呢 它的 AC/DC 设计呢跟我们传统的一个 type-A 的 适配器来说并没有一个很大的区别 那么这里呢有一个主要的改动就是 我们的一个 type-C 口 有可能呢它会需要支持到一个 5V 3A 那么相比于我们传统的一个 type-A 口 只能支持到一个 5V 2.1A 的一个电流情况呢 它的负载电流发生了一个比较大的改变 负载电流由之前的 2A 上涨到 3A 之后呢 往往这个时候我们为了降低 整个系统的一个导通损耗 会要求在我们 AC/DC 的副边的一个整流管上 要采用一个同步整流的方式 另外一个大家需要注意到的地方就是说 基于我们 type-C 本身的一些规范要求 我们这个时候必须要在我们的 type-C 口的一个端口上 放置一个端口控制器 那么这个端口控制器主要就是作两个作用 第一个作用呢就是 它控制一个 CC 的一个信号 然后与外部的一个 type-C 的设备进行通信 来确定我们要输出的一个电压和电流 那么同时呢我们这个端口控制器 也能够控制在我们的 AC/DC 的输出 跟我们端口的 VBUS 之间的一个管子 能够确保我们的端口 在没有接任何东西的时候 我们的 AC/DC 输出 跟我们的一个 type-C 的 VBUS 是实现断开的 那么在这里呢我们 TI 有两种方案可以选 那么第一个就是用 TPS25810 这是一个高度集成的一个方案 它集成了一个 type-C 的一个端口控制器 以及我们 VBUS 跟我们 AC/DC 输出之间的 一个阻断的一个管子 那么第二种控制方式是采用一个 TUSB321 那么这个时候呢 我们就需要在外面加一颗 PMOS 管子 来实现我们 AC/DC 输出 跟我们 VBUS 的一个阻断 对于我们这个只有一路 5V 输出的一个 AC/DC 来说 它的主控芯片呢 可以考虑采用一个 PSR 控制的一个芯片 那么采用 PSR 控制芯片呢 就不需要副边的 431 跟光耦进行反馈 可以使我们整个系统的成本呢做到最优 同时呢也能够使我们的一个调整率 也能够满足 我们 5V 输出的一个电压精度的要求 这个图里面就是我们做的一个 5V 单路输出的 AC/DC 参考设计 那么我们在这个里面用的是一个 UCC28740 它是一个准谐振的控制器 然后副边呢用的是我们 UCC24636 SR 一个的控制器 来控制我们的副边的一个同步整流管 它能够实现同步整流管 近似于一个二极管的一个工作模式 我们的输出 我们的 ACDC 的 5V 输出呢 最终会到达我们的一个 type-C 的一个子卡上 在这个子卡上呢 有我们 type-C 的一个接口 以及端口的控制器 那么这样子就形成一个整个的 5V 单口输出的一个 type-C 的系统设计 这里左边图呢 是我们这个参考设计的一个照片 我们可以看到我们的 AC/DC 输出呢 最终是接到我们的一个很小的子卡上 这个子卡上呢通过 type-C 口进行输出 那么右边呢是我们整个系统的效率 那么我们可以看到我们的 AC/DC 可以在 5V 3A 输出的时候呢 做到一个 86.5% 以上的一个效率值 假如我们遇到一个 5V 输出 有多个输出的口的一个设计 那么我们这个时候呢可能就不仅仅就是说 会是两个或者三个 type-C 口 那有可能呢会是一个 type-A 口 或者是一个 type-C 口混合的一种方式 那么这个时候呢我们对于每个 type-C 口 它都需要有一个独立的一个端口控制器 来确保呢我们的那个 type-C 口上呢 一些 CC 的通信以及 VBUS 控制 都能够满足我们 type-C 的一个规范要求 那么对于这种应用的一个场合呢 基本上就是说因为多口输出 它的一个总体的一个输出功率 都一般会大于 15W 所以呢会需要我们在 AC/DC 的一个副边呢 加一个同步整流来降低我们的导通损耗 同时呢因为有多口输出 我们这个时候会推荐用一个 副边反馈的控制方式 来确保我们 ACDC 的输出的一个电压 能够达到一定的精度 但是因为我们是多口输出 我们无法保证每一个输出口上 都达到一个相同的一个电压精度 左下角这个图是我们做的一个 5V 输出 但是多口的一个参考设计 那么这里呢是一个 type-A 口 和 type-C 口的一个结合 我们首先来看整个系统的一个架构 AC 输入之后呢它会经过一个 25W的一个隔离的 ACDC 电源 然后呢形成一个母线的 5V 电压 那么在这个 5V 的母线电压上 它能够支持最大 5A 的输出 在这个时候呢它就分了两路 一路呢就是会通过我们的一个端口控制器 比如说像我们的 TPS25810 然后输出一个 5V 3A 到我们的一个 type-C 口 同时呢在我们的 ACDC 输出母线上呢 它还可以接一个 2A 的一个 USB 的电流控制器 比如说像 TPS2559 来给我们后端的一个 type-A 口 做一个 2A 的一个输出 那么总体呢一个输出功率 就会达到 5V 5A 也就是25W 那么对于一个适配器 如果它要支持一个 PD 的充电方式 它在一些电压精度上 有什么特殊的新的要求呢 根据我们前面对 PD 的一个描述 它实际上跟我们 5V 最大的区别就是说 我们支持了 PD 之后呢也就是意味着 我们有可能在我们的一个适配器上 会输出不同于 5V 的新电压 那包括是 9V 15V 或者 20V 那么对于这些新的一个电压等级 对它的一个电压精度的一个要求呢 它实际上跟我们的 5V 是一致的 也就是说它在新的一个电压等级下 它的一个最小和最大电压的一个范围 必须要包含它在 DC 工作时候的一个 调整率的一个精度 那在输入输出电压变化的时候一个 调整率的精度 以及它的一些纹波的一个要求 那么右边的这个图里面呢 就给出了在不同的一个 新的电压的一个范围下 它的一个最小值和一个最大值 我们所有的这些电压值 都必须要在我们的一个端口的 VBUS 上 来进行一个测量 对于一个 type-C 适配器来说呢 它的输出电压呢可能不是 5V 那么这个时候呢就有可能 需要把它的一个输出电压呢 从 5V 调到一个新的一个电压 那么这个时候呢电压调整就有一些要求 那么这个时候新的一个输出电压 必须要在我们标称电压的一个 ±5% 的误差之内 同时呢我们在这个电压调整过程当中 出现的一个电压过冲或者跌落 不能够超过 ±0.5V 同时呢我们在电压变化的一个斜率呢 必须要小于一个 30mV/us 的一个速度 上升的时间呢需要控制在 275 个毫秒之内 那么我们整个的一个适配器 要完成这个输出电压变化的过程的时间 不能够超过 285 个毫秒 这个呢就是对我们在做一个电压调整的时候的 一些具体的指标要求 如果这个时候我们适配器的负载电流呢 发生了变化 那么我们这个时候的规范就是 必须要保证第一个我们的输出电压呢 依然是在我们有效的电压幅度之内 也就是我们前面提到的那些 ±5% 的幅度之内 同时呢在我们的一个负载动态跳变的时候 我们的一个输出电压 能够恢复到我们正常的一个稳态值 所需要的时间不超过五个毫秒 在我们了解了一个 type-C PD 的一个规范要求之后 我们来看我们要怎么样设计一个 单口的一个支持 type-C PD 的一个 AC/DC 那么考虑到我们 type-C PD 的一些功率的等级 我们认为呢反激是最好的一个拓扑 在我们这个 type-C PD 的适配器里面应用反激 首先可以是非常简单 以及获得一个非常低的一个设计成本 那么第二个我们的反激拓扑 它也能够很好地适应一个 很宽的一个输入电压范围 以及很宽的一个输出电压范围 那么最后呢我们的一个反激拓扑 也可以达到一个比较好的一个效率 以及满足我们一些能源之星 或者 DOE 的一些待机功耗的一个要求 这个时候为了满足我们 type-C PD 的一个要求 比如说它是会需要我们的调整 type-C PD 的一个输出的一个电压 那么这个时候我们是需要采用到一个 副边的一个调整方式 来实施动态的根据 type-C 握手的结果 来调整我们的 VBUS 电压 那么我们原边 OUT 上的一个电压 实际上跟我们副边的输出电压是成正比的关系 在一个这么大的范围之内 我们往往需要呢在原边 把原边辅助绕组上的一个电压钳位到一个 能够让我们芯片正常接收的一个 VDD 的一个范围之内 这里呢是我们 TI 设计的一个 支持单口 PD type-C 的一个 AC/DC 方案 它是用一个 UCC28740 作为一个 主控的一个 AC/DC 的芯片 然后采用的也是一个副边反馈的一个方式 原边这里呢像我们刚刚提到的 它需要呢在我们的辅助绕组 跟我们芯片的 VDD 之间加一个钳位电路来确保 给我们的芯片 VDD 供电电压范围的稳定性 同时在我们的副边输出端呢我们也有Q9 作为阻断的开关来确保我们的 VBUS 电压 在没有接任何负载的时候是为零的 同时呢我们的一个同步整流管的一个驱动芯片呢 也是采用了一个 UCC24636 然后呢来降低我们同步整流管的导通损耗 对于我们这个 type-C 端口的一个控制器呢 我们用的是 TI 的 TPS25740 它是一个全模拟的 USB type-C PD 的控制芯片 能够自动完成一些 PD 的握手 然后呢调整我们副边反馈 431 的一个参考 那么这个图里面就是我们这个 TPS25740 的一个详细的一个电路图 左边这个照片呢就是我们刚刚提到的 支持单口 USB type-C PD 的一个参考设计 那么它的名称叫 PMP11451 大家如果对这个设计感兴趣的话 就可以直接上我们的 TI 的官网 然后搜索 PMP 的 Number 号 然后呢它上面有所有的一些设计的文档 包括原理图包括 PCB 以及一些测试报告 右边就是我们参考设计的一个效率测试的图 那么我们来看 对于一个有多口输出的 PD 适配器来说 它有哪些挑战呢 首先我们可能看到就是说 如果是要支持多口的 PD 输出的话 那么这个系统会非常复杂 因为每一个 PD 口 它可能所输出的电压都不一样 那么我们要保证每一个口 它都能够独立的输出不同的电压 那么会必然会导致呢 我们的系统会变得非常复杂 但是呢这里有一个好处就是说 我们的一个 type-C PD 的一个协议里面 它允许我们的每一个口的一个 所能够的广播的一个电压以及功率 它能够实时的一个动态的变化 那么这个特性呢非常有用 我们稍后呢会重点给大家讲到 回来看如果要支持一个 多路 PD 口输出的一个 AC/DC 来说呢 我们一般呢会想到有两种方案 那么第一种方案呢就是说 我们可以呢产生一个 不同输出电压的一个多路输出轨 比如说我要支持一个 5V 9V 15V 20V 那么我把四路电压我都先把它输出来 那么哪个端口需要哪路电压 直接通过一些 load switch 直接就是把我们端口的输出呢 切换到一个相应的一个电源轨上 来实现一个输出 那么第二种方式呢 我会采用一个中间母线的方式 就是我会呢比如说会 先用一级 AC/DC 先产生一个中间的一个电压 然后呢在后面带一些非隔离的一些 DC/DC 把我们的中间电压呢 降到我们想要输出的一个真正电压 那么这样子来实现一个后级的第二次调整 我们这里这个图里面呢 就给出了第一种方法的一个简单框图 我们来看首先呢我们的一个 AC 输入 它会经过一个 90W 的一个 AC/DC 那么这个 AC/DC 呢 它会输出三路的一个电源轨 有 5V 9V 15V 那么都是作为一个不同的一个输出电压 它们之间是相互独立的 这个时候呢 我们有两个 type-C 的一个输出口 那么每个 type-C 的输出口上呢 都需要能够支持 5V 9V 15V 3A 的一个功率 那么因为每个 type-C 口 它同时输出的一个电压电流都可能不一样 那么我们这个时候呢可以通过我们的一个 type-C 的一个端口控制器 来确定我们的 type-C 端口 需要输出一个什么样的一个电压 然后相应的把我们这个 type-C 呢 它的一个端口就接到一个相应的一个电源轨上 来实现一个电压的一个输出 那么这两个的一个端口的控制呢 都是互相独立的 那么这样子的一个好处呢就是说 因为我们的一个 AC/DC 到我们的一个输出端呢 中间没有第二级的一个支路 那么它是一个单级的一个 AC/DC 的一个拓扑 那么这样子整个系统的一个效率会非常高 但是呢在这种应用里面呢 我们往往会是一个三路独立输出的反激电源 我们的反馈呢只能调节到某一个支路上 其它两个支路上 它的一个电压调整率会变得非常差 同时的话要输出三个电压支路 而且每个电压支路上的电流都必须要保证 3A 那么会导致我们这个 AC/DC 会变得很大 而且很难设计 我们前面也提到我们要控制我们每路的一个输出 比如说是由一个 5V 到 15V 的一个 电压切换的时候一个 电压上升的一个电压斜率控制 那么很显然在我们的这个设计里面 就无法做到能够控制这个电压的一个 上升或者下降的一个斜率 最后一个缺点就是说 我们要保证两路端口都能够独立输出一个 最大 45W 的一个功率 所以说我们必须要设计一个 90W 的一个 AC/DC 电源 那实际上我们两个 C 口在很多场合下 它都不会输出一个 90W 就可能会导致我们的 AC/DC 一个设计的能量上的浪费 那么我们再来看第二种选项 第二种选项它会由我们的 AC/DC 进来之后呢先经过一级的一个 AC/DC 然后产生一个 17V 的一个中间母线 然后呢这个 17V 的中间母线呢 它会分成两路 那么每路呢它都会经过一个非隔离的一个 同步整流的一个 Buck 电路 然后同步整流 Buck 电路 它能够把我们的 17V 降压为 5V 9V 或者 15V 然后这个电压最终是输出到我们 type-C 口的一个端口上 两路的电路呢都是采用一个相同的结构 那么这样的一个做法呢 就会使我们的一个 type-C 口的输出呢 它的一个电压调整的一个精度会比较好 因为呢它这个电压呢 是由我们这个非隔离的一个 Buck 来提供的 同时的话它对我们的 AC/DC 来说呢 它会相对来说设计比较简单 因为它只有一路输出 那么呢对于两路 type-C 口的输出的一个电压呢 它也可以分别作为单独的调节 也能够控制它的一个上升的斜率 但是呢它的一个最大缺点就是说 因为采用了两级的一个电路 第一级是 AC/DC 第二级是 DC/DC 的 Buck 会使我们整个系统的效率呢损失非常大 同样的我们的 AC/DC 呢 也必须要按照 两路输出的最大功率 90W 来做设计 那么这样呢也会导致我们的 AC/DC 它本身的一个设计容量上的一个浪费 那么我们这里呢针对第二种方法呢 做了一个优化 我们在这种两级的一个拓扑里面 加入了一个端口 功率动态调整的一个功能 也就是说它使我们每个 type-C 口 它都能够根据另外一个口的一个连接情况 动态的调整本身的一个 广播的一个功率和电压 我们前面也提到我们 type-C 的一个 PD 的一个协议里面有个特点就是说 它允许我们 type-C 控制芯片呢 向外不停的广播我们 所能够支持的一个电压和功率等级 也就是说我们在任何时候呢 都可以通过我们的一个端口控制器 向外广播我们所能够支持的一个 电压和功率的一个范围 那么我们利用这个功能呢就可以实现 端口的一个动态功率调整 比如说我们两个的 type-C 口 它能够支持 PD 功能 当我们的一个 type-C 口 外接一个 type-C 负载之后呢 我们相应的这个口的一个 type-C 的一个端口控制器呢它会发出一个信号 然后指示我们另一个端口的一个 type-C 的一个端口控制器 使它呢能够把另外一个端口 向外广播的一个功率等级降低 来确保我们两个端口 都同时对外输出的时候呢 它的总共的一个输出功率 不会超过我们 AC/DC 所能允许的一个最大功率 如果说我们这两个 type-C 口当中 只有任何一个口有连接的时候呢 它都能够按照我们 AC/DC 的 最大输出功率来进行输出 那么在我们之前的一个设计案例里面 我们的一个 type-C 口 它能够支持 5V 9V 15V 然后 3A 最大 45W 的一个输出 假设我们两个端口中只有一个端口它有连接 它都能够随时输出一个 45W 那么当这个两个端口都有连接的时候呢 每个端口它都只能输出一个 45W 的一半 来实现一个总功率的一个动态调整 所以说采用了这种端口的 功率动态调整的方法之后呢 我们的整个 AC/DC 的设计功率呢就可以大大降低 考虑到我们不同的连接情况 对于我们的 AC/DC 来说呢 它最大的一个输出功率都不会超过 45W 也就是说我们在做这个 AC/DC 的设计时候 只需要按照做一个 45W 的一个设计就可以了 那这样子可以大大的降低 我们整个电源板的一个尺寸以及成本 那么这样子做的一个唯一的缺点就是 对于用户来讲它在两个端口都插上的时候 充电的速率可能无法达到 最大 90W 的一个充电功率 我们这一页的两个照片呢 其实上就是给出了我们前面 加入了端口动态功率调整功能的电源参考设计 它是 PMP11372 大家可以通过我们的官网呢 来搜索这个设计的一个所有的参数 那么它上面的一个第二级 包括那个非隔离的一个 Buck 电路 以及我们 type-C 端口的一个控制器 也就是我们的 PMP20172 那么当这两个板子叠在一起的时候呢 就形成了我们整个的一个 端口 type-C PD 的一个电源参考设计 那么对于这两个参考设计呢 我们第一级的 AC/DC 可以做到 93% 的效率 第二级的 DC/DC 可以做到 98% 的效率 同时呢我们的 AC/DC 跟 DC/DC 都可以按照相同的一个功率等级来进行设计 所以我们看到我们的 AC/DC 尺寸 有了一个大幅度的一个减小 最后我们对所讲内容做一个总结 那么首先介绍了 type-C 的一些基本的要求 以及对于 PD 的设计来说 它有哪些动态或者静态的一些指标要求 然后呢我们分析了对于一个 只输出 5V 的一个适配器来说 它有哪些新的要求 对于 PD 的一个适配器来说呢 先来看了一个单口的一个 PD 设计 最后呢也是最复杂的 我们分析了这种支持 type-C PD 的 多路输出的一个适配器 它所需要注意到的一些特殊的地方 以上呢就是我今天要所讲的所有内容 谢谢大家
大家好 今天要给大家讲的是
我们关于 USB type C 的一些话题
大家都知道 USB type C 自从发布之后呢
已经越来越受到大家的广泛关注
市面上也逐渐出现了各种各样的
type-C 的一些终端产品
那么我们呢今天要讲的就是
关于这个新产品它里面
如果采用 USB type C
那么它对于我们的一些 Adapter 的离线电源的设计
会有什么影响
我们今天的课程呢
首先呢会介绍一下 USB type C
它的电源传输的要求
包括 PD 也包括非 PD 的一些要求
那么接下来呢我们会看
如果说我们的一个 AC/DC 的电源里面
要支持 USB type C
包括 PD 包括 非 PD
那么对于我们的一个 AC/DC 的电源
它的一个架构有一个什么样的挑战
我们的图里面呢
显示的是大家经常看到的一些
USB2.0/3.0 的一些接口
那么这里面呢又包括 Type-A
也包括 Type-B 一个接口
那么对于一个 Type-A 口来说
它是经常作为一个公口
然后呢向外输出能量
像我们的这些 B 口的话
更多的是作为一些作为 sink
然后接收能量的使用
那么对于 USB2.0 来说
Type-A 口和 Type-B 口呢它都只有四根线
但是呢在 USB3.0 里面
为了支持一个更高的一个传输速率
我们都会把它变成会有九根线
来支持一个高达 5G 或者 10G 以上的传输速率
那么对于 type C 口来说
它的主要变化有哪些呢
第一个就是说它是一个
能够用一个口走 USB2.0/3.0/3.1 的
也就是说它的接口里面的已经包含了
低速信号线跟高速信号线以及电源线
同时呢它也是能够支持一个正反插的功能
也就是不再像我们之前的
Type-A 口和 Type-B 口
要先辨别它的一个方向
才能够插入我们的一个端口里面
而对于我们的 Type-C 口来说
正插和反插都会是一样的效果
同时呢对于它的尺寸来说
我们的 Type-C 口的尺寸
跟我们现在看到的一个
Micro-B 口的尺寸基本是差不多的
所以说它的大小也有很大的一个改进
同时呢它也能够支持市面上
现在所有常见的一个数据格式
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
还有那个功率传输接口
为了兼容我们 Type-C 口
与传统的一些 Type-A 口
和 Type-B 口的设备
我们同样也定义了一些
比如说 C 到 C C 到 A
C 到 B 的一些线缆
那么这样子的话就可以使我们的
新型的 Type-C 的设备
能够跟我们传统的一些
Type-A 口和 Type-B 口的设备
能够进行连接
那么很显然一个拥有Type-C口的设备
它就不再需要一些
USB2.0 的接口 USB3.1 的接口
HDMI 口 所有的口只需要用一个 Type-C 口
就能够解决所有的问题
我们传统的 USB 设备
它都能够支持一定的充电功率
那比如说 USB2.0
它能够支持 5V 0.5A 的一个充电功率
那么到了3.0呢
它支持 5V 0.9A
对于 BC1.2的话
它最大的充电功率能够达到 5V 1.5A
也就是 7.5W 的一个充电功率
那如果说还要再往上走
比如说要给我们的笔记本
或者是给我们的一些移动硬盘
或者电视机来进行充电
那么这个功率 7.5W 就明显是不足的
那这个时候呢我们就可以考虑到
基于一些 Type-C 跟 PD 的一个方案
这里我们需要特别指出的是
USB Type-C 跟 PD 并不是一个
绑定的一个充电架构
我们可以采用 USB Type-C
而不采用 PD
那么如果在这种情况下
也就是 USB Type-C 的一个非 PD 方式
那么在这种 Type-C 非 PD 方式下
我们可以支持 5V 1.5A 或者是 5V 3A
那么也就是最大到 15W 的一个充电功率
如果说这个时候
我们采用了一个 USB PD 的一个充电协议
那么我们的一个充电电压
可以最高达到 20V
充电电流最大也可以达到 5A
也就是说最大充电功率可以达到 100W
对于这个 100W 的充电功率来说
我们的笔记本或者小功率电视
这个充电功率是能够满足要求的
也就是说将来我们的所有的电气设备上
只要有了 Type-C 口
那么就有可能它能够达到
最大 100W 的一个充放电功率
来给我们的各种电气设备供电
那这样子就可以大大的减少
各种端口的一个浪费
对于一个 Type-C 和 PD 系统来说呢
它的一个数据传输方法
跟功率传输方法是互相独立的
那么对于我们的一个功率传输方法
我们可以把它分成三种
那么有的 Type-C 口
它是只作一个输出的功能
也就是它只是对外输出一个能量
那我们把它称作一个 DFP
这个比较常见于我们的一些 墙插
以及车载的一个充电器
那么也有的 Type-C 口
它是只作接收能量的使用
也就是它只能够从 Type-C 口
接收外部提供的能量
那么我们称这种端口称作一个 UFP
那这种常见的一个应用就是一些
通过 USB 供电的一些设备
比如说像 USB 台灯
当然也有的 Type-C 口
既能够作为能量输出的一个 DFP
也能够作为能量输入的 UFP
那么这种呢我们就称之为一个
DRP 的一个 Type-C 口
那么它的最主要的一个特点就是说
能量可以在这个口里面做一个双向流动
这种比较常见的应用
就是像我们的一些充电宝
那么对于数据的传输呢
跟我们的一个功率传输方法就比较类似
数据的传输也同样是可以作为一些
单向输出 单相输入
以及双向数据交换的一个方法
那么推动我们的 Type-C 作为一个
大一统的接口的一个主要推动力
就是我们越来越多的电子垃圾
那么据联合国统计
我们每年大概会有
三十万多的一个电子废品产生
这些电子废品就来源于
我们生活当中使用的各种电子设备
包括手机 电脑 显示器 平板之类的
因为我们知道每一台设备
在给我们标配的时候都会带一个适配器
那么随着我们的电子设备使用完
那么这种各种各样的适配器
因为接口的不一致
就有可能无法再次重新使用
这样子就形成一些新的电子垃圾
对于 USB PD 来说
它有一个重要特点就是
它的一个最大输出功率跟输出电压
是成一个单调的关系
那如果说一个适配器
它要获得一个 PD 认证
它就必须要能够支持
PD 所规定的四种标准电压
那分别是 5V 9V 15V 和 20V
同时的话输出的电压
是跟适配器的一个最大功率有关系的
比如说对于一个 15V 的一个适配器
它只需要支持一个 5V 3A 就可以了
那如果是一个是 27W 以下的
那它必须要能够支持 9V 3A
那如果是在 15W 以内的话
那么 5V 9V 15V 都需要支持
当然如果是在 45W 以上
比如说是一个 60W 的一个适配器
那么 20V 的输出电压就必须得到支持
同时 USB PD 的一个规范
也允许非 5V 9V 15V 20V
这四类电压档之外的电压存在
比如说 12V
那么我们可以在一个适配器里面
加入 12V 来兼容我们的现有的
市面上的各种 12V 的电子产品
这个图给出了我们 Type-C PD 的
一个简单握手流程
首先我们 Type-C 的一个接口
在没有接任何东西的时候
它的 VBUS 电压是等于零的
那这时候如果说有一个 Sink
或者一个 UFP 接进来之后
会在它的 CC 脚上检测到一个电阻
它会使我们的一个适配器
开始输出一个 5V 在 VBUS上
那么这个时候 VBUS 上能够输出一个 5V
对于 USB2.0 的话它是 0.5A
3.0 的话是 0.9A 的一个电流
那么有了 VBUS 这个 5V 之后呢
我们的两端的一个 Type-C 设备
就会通过 CC 线进行握手
那么我们的 Adapter
就会向我们的一个从端设备
广播它能够支持的一个各种各样的
功率 电压 电流
那么我们从端就能够接收到这个信号
在 CC 上识别出来
然后呢与自己所需要的
一个电压电流功率进行匹配
那么双方进行一个交互的通信
最终我们主端和从端都能够获得一个
大家都能够接受的一个功率等级
然后我们的适配器
会把我们的 VBUS 电压调整到
我们所想要的一个输出电压比如说 20V
那么对于一个 USB type C 的适配器
也就是 DFP 的一个 PD 系统来说
它一般会有四种的一个结构方式
那么第一种是一个单口的输出
而且这个单口输出只支持 5V
那么第二种结构方式就是说
它也是只支持 5V 输出
但是呢可能会有多个 type-C 口
作为一个输出口
第三种的一个结构方式有可能就是说
它是一个单口的一个 type-C 的一个口
但是它是会支持一个
USB PD 的一个输出方法
那么有可能就是说
会支持 5V 9V 15V 20V
第四种可能的一个结构呢就是说
是一个多口的系统
同时呢它也是支持一个 type-C PD 的充电方式
也就是说每个口上
它都能够支持一个 PD 的一个输出
那么这以上四种
就是我们对于一个 type-C 的适配器来说
有可能存在的四种方式
我们先来看对于一个 5V 输出时候的
一个整个系统的要求
那么 5V 输出的时候呢
我们这个时候依然要遵从一个 USB2.0
或者 3.1 的一个规范要求
比如说它会要求我们 5V 的一个 VBUS 电压
它是要最小值 4.75 最大呢不能超过 5.5V
那么在这个范围之内的 VBUS 电压
那么这个电压范围呢其实就包含了
我们所有有可能存在的各种各样的误差
那包括是那就包括我们 AC/DC 的本身的
一些调整的一些精度的误差
以及随着我们的输入电压
或者随着我们的一个负载电流
那么输入电压的一个波动率
那么第三个呢
也就是我们作为一个开关电源
它本身的一些开关电源的输出纹波
我们考虑到以上
所有的各种误差信号之后呢
都要保证我们的一个 VBUS 电压呢
都必须要在我们的 4.75 到 5.5V 之间
当我们的一个 USB 负载
发生一个负载跳变的时候呢
它依然会要求我们的 VBUS 电压
必须要在最小值和最大值之间
当然了我们这些提到的一些 VBUS 电压
必须要呢会是在
我们的 type-C 的一个端子上
然后测试到的一个真实的电压
对于一个单口 type-C
输出 5V 的适配器来说呢
它的 AC/DC 设计呢跟我们传统的一个 type-A 的
适配器来说并没有一个很大的区别
那么这里呢有一个主要的改动就是
我们的一个 type-C 口
有可能呢它会需要支持到一个 5V 3A
那么相比于我们传统的一个 type-A 口
只能支持到一个
5V 2.1A 的一个电流情况呢
它的负载电流发生了一个比较大的改变
负载电流由之前的 2A
上涨到 3A 之后呢
往往这个时候我们为了降低
整个系统的一个导通损耗
会要求在我们 AC/DC 的副边的一个整流管上
要采用一个同步整流的方式
另外一个大家需要注意到的地方就是说
基于我们 type-C 本身的一些规范要求
我们这个时候必须要在我们的
type-C 口的一个端口上
放置一个端口控制器
那么这个端口控制器主要就是作两个作用
第一个作用呢就是
它控制一个 CC 的一个信号
然后与外部的一个 type-C 的设备进行通信
来确定我们要输出的一个电压和电流
那么同时呢我们这个端口控制器
也能够控制在我们的 AC/DC 的输出
跟我们端口的 VBUS 之间的一个管子
能够确保我们的端口
在没有接任何东西的时候
我们的 AC/DC 输出
跟我们的一个 type-C 的 VBUS
是实现断开的
那么在这里呢我们 TI 有两种方案可以选
那么第一个就是用 TPS25810
这是一个高度集成的一个方案
它集成了一个 type-C 的一个端口控制器
以及我们 VBUS 跟我们 AC/DC 输出之间的
一个阻断的一个管子
那么第二种控制方式是采用一个 TUSB321
那么这个时候呢
我们就需要在外面加一颗 PMOS 管子
来实现我们 AC/DC 输出
跟我们 VBUS 的一个阻断
对于我们这个只有一路
5V 输出的一个 AC/DC 来说
它的主控芯片呢
可以考虑采用一个 PSR 控制的一个芯片
那么采用 PSR 控制芯片呢
就不需要副边的 431 跟光耦进行反馈
可以使我们整个系统的成本呢做到最优
同时呢也能够使我们的一个调整率
也能够满足
我们 5V 输出的一个电压精度的要求
这个图里面就是我们做的一个
5V 单路输出的 AC/DC 参考设计
那么我们在这个里面用的是一个 UCC28740
它是一个准谐振的控制器
然后副边呢用的是我们
UCC24636 SR 一个的控制器
来控制我们的副边的一个同步整流管
它能够实现同步整流管
近似于一个二极管的一个工作模式
我们的输出
我们的 ACDC 的 5V 输出呢
最终会到达我们的一个 type-C 的一个子卡上
在这个子卡上呢
有我们 type-C 的一个接口
以及端口的控制器
那么这样子就形成一个整个的
5V 单口输出的一个 type-C 的系统设计
这里左边图呢
是我们这个参考设计的一个照片
我们可以看到我们的 AC/DC 输出呢
最终是接到我们的一个很小的子卡上
这个子卡上呢通过 type-C 口进行输出
那么右边呢是我们整个系统的效率
那么我们可以看到我们的 AC/DC
可以在 5V 3A 输出的时候呢
做到一个 86.5% 以上的一个效率值
假如我们遇到一个 5V 输出
有多个输出的口的一个设计
那么我们这个时候呢可能就不仅仅就是说
会是两个或者三个 type-C 口
那有可能呢会是一个 type-A 口
或者是一个 type-C 口混合的一种方式
那么这个时候呢我们对于每个 type-C 口
它都需要有一个独立的一个端口控制器
来确保呢我们的那个 type-C 口上呢
一些 CC 的通信以及 VBUS 控制
都能够满足我们 type-C 的一个规范要求
那么对于这种应用的一个场合呢
基本上就是说因为多口输出
它的一个总体的一个输出功率
都一般会大于 15W
所以呢会需要我们在 AC/DC 的一个副边呢
加一个同步整流来降低我们的导通损耗
同时呢因为有多口输出
我们这个时候会推荐用一个
副边反馈的控制方式
来确保我们 ACDC 的输出的一个电压
能够达到一定的精度
但是因为我们是多口输出
我们无法保证每一个输出口上
都达到一个相同的一个电压精度
左下角这个图是我们做的一个 5V 输出
但是多口的一个参考设计
那么这里呢是一个 type-A 口
和 type-C 口的一个结合
我们首先来看整个系统的一个架构
AC 输入之后呢它会经过一个
25W的一个隔离的 ACDC 电源
然后呢形成一个母线的 5V 电压
那么在这个 5V 的母线电压上
它能够支持最大 5A 的输出
在这个时候呢它就分了两路
一路呢就是会通过我们的一个端口控制器
比如说像我们的 TPS25810
然后输出一个 5V 3A
到我们的一个 type-C 口
同时呢在我们的 ACDC 输出母线上呢
它还可以接一个 2A 的一个 USB 的电流控制器
比如说像 TPS2559
来给我们后端的一个 type-A 口
做一个 2A 的一个输出
那么总体呢一个输出功率
就会达到 5V 5A 也就是25W
那么对于一个适配器
如果它要支持一个 PD 的充电方式
它在一些电压精度上
有什么特殊的新的要求呢
根据我们前面对 PD 的一个描述
它实际上跟我们 5V 最大的区别就是说
我们支持了 PD 之后呢也就是意味着
我们有可能在我们的一个适配器上
会输出不同于 5V 的新电压
那包括是 9V 15V 或者 20V
那么对于这些新的一个电压等级
对它的一个电压精度的一个要求呢
它实际上跟我们的 5V 是一致的
也就是说它在新的一个电压等级下
它的一个最小和最大电压的一个范围
必须要包含它在 DC 工作时候的一个
调整率的一个精度
那在输入输出电压变化的时候一个
调整率的精度
以及它的一些纹波的一个要求
那么右边的这个图里面呢
就给出了在不同的一个
新的电压的一个范围下
它的一个最小值和一个最大值
我们所有的这些电压值
都必须要在我们的一个端口的 VBUS 上
来进行一个测量
对于一个 type-C 适配器来说呢
它的输出电压呢可能不是 5V
那么这个时候呢就有可能
需要把它的一个输出电压呢
从 5V 调到一个新的一个电压
那么这个时候呢电压调整就有一些要求
那么这个时候新的一个输出电压
必须要在我们标称电压的一个
±5% 的误差之内
同时呢我们在这个电压调整过程当中
出现的一个电压过冲或者跌落
不能够超过 ±0.5V
同时呢我们在电压变化的一个斜率呢
必须要小于一个 30mV/us 的一个速度
上升的时间呢需要控制在 275 个毫秒之内
那么我们整个的一个适配器
要完成这个输出电压变化的过程的时间
不能够超过 285 个毫秒
这个呢就是对我们在做一个电压调整的时候的
一些具体的指标要求
如果这个时候我们适配器的负载电流呢
发生了变化
那么我们这个时候的规范就是
必须要保证第一个我们的输出电压呢
依然是在我们有效的电压幅度之内
也就是我们前面提到的那些 ±5% 的幅度之内
同时呢在我们的一个负载动态跳变的时候
我们的一个输出电压
能够恢复到我们正常的一个稳态值
所需要的时间不超过五个毫秒
在我们了解了一个
type-C PD 的一个规范要求之后
我们来看我们要怎么样设计一个
单口的一个支持 type-C PD 的一个 AC/DC
那么考虑到我们 type-C PD 的一些功率的等级
我们认为呢反激是最好的一个拓扑
在我们这个 type-C PD 的适配器里面应用反激
首先可以是非常简单
以及获得一个非常低的一个设计成本
那么第二个我们的反激拓扑
它也能够很好地适应一个
很宽的一个输入电压范围
以及很宽的一个输出电压范围
那么最后呢我们的一个反激拓扑
也可以达到一个比较好的一个效率
以及满足我们一些能源之星
或者 DOE 的一些待机功耗的一个要求
这个时候为了满足我们 type-C PD 的一个要求
比如说它是会需要我们的调整
type-C PD 的一个输出的一个电压
那么这个时候我们是需要采用到一个
副边的一个调整方式
来实施动态的根据 type-C 握手的结果
来调整我们的 VBUS 电压
那么我们原边 OUT 上的一个电压
实际上跟我们副边的输出电压是成正比的关系
在一个这么大的范围之内
我们往往需要呢在原边
把原边辅助绕组上的一个电压钳位到一个
能够让我们芯片正常接收的一个
VDD 的一个范围之内
这里呢是我们 TI 设计的一个
支持单口 PD type-C 的一个 AC/DC 方案
它是用一个 UCC28740 作为一个
主控的一个 AC/DC 的芯片
然后采用的也是一个副边反馈的一个方式
原边这里呢像我们刚刚提到的
它需要呢在我们的辅助绕组
跟我们芯片的 VDD 之间加一个钳位电路来确保
给我们的芯片 VDD 供电电压范围的稳定性
同时在我们的副边输出端呢我们也有Q9
作为阻断的开关来确保我们的 VBUS 电压
在没有接任何负载的时候是为零的
同时呢我们的一个同步整流管的一个驱动芯片呢
也是采用了一个 UCC24636
然后呢来降低我们同步整流管的导通损耗
对于我们这个 type-C 端口的一个控制器呢
我们用的是 TI 的 TPS25740
它是一个全模拟的 USB type-C PD 的控制芯片
能够自动完成一些 PD 的握手
然后呢调整我们副边反馈 431 的一个参考
那么这个图里面就是我们这个
TPS25740 的一个详细的一个电路图
左边这个照片呢就是我们刚刚提到的
支持单口 USB type-C PD 的一个参考设计
那么它的名称叫 PMP11451
大家如果对这个设计感兴趣的话
就可以直接上我们的 TI 的官网
然后搜索 PMP 的 Number 号
然后呢它上面有所有的一些设计的文档
包括原理图包括 PCB 以及一些测试报告
右边就是我们参考设计的一个效率测试的图
那么我们来看
对于一个有多口输出的 PD 适配器来说
它有哪些挑战呢
首先我们可能看到就是说
如果是要支持多口的 PD 输出的话
那么这个系统会非常复杂
因为每一个 PD 口
它可能所输出的电压都不一样
那么我们要保证每一个口
它都能够独立的输出不同的电压
那么会必然会导致呢
我们的系统会变得非常复杂
但是呢这里有一个好处就是说
我们的一个 type-C PD 的一个协议里面
它允许我们的每一个口的一个
所能够的广播的一个电压以及功率
它能够实时的一个动态的变化
那么这个特性呢非常有用
我们稍后呢会重点给大家讲到
回来看如果要支持一个
多路 PD 口输出的一个 AC/DC 来说呢
我们一般呢会想到有两种方案
那么第一种方案呢就是说
我们可以呢产生一个
不同输出电压的一个多路输出轨
比如说我要支持一个 5V 9V 15V 20V
那么我把四路电压我都先把它输出来
那么哪个端口需要哪路电压
直接通过一些 load switch
直接就是把我们端口的输出呢
切换到一个相应的一个电源轨上
来实现一个输出
那么第二种方式呢
我会采用一个中间母线的方式
就是我会呢比如说会 先用一级 AC/DC
先产生一个中间的一个电压
然后呢在后面带一些非隔离的一些 DC/DC
把我们的中间电压呢
降到我们想要输出的一个真正电压
那么这样子来实现一个后级的第二次调整
我们这里这个图里面呢
就给出了第一种方法的一个简单框图
我们来看首先呢我们的一个 AC 输入
它会经过一个 90W 的一个 AC/DC
那么这个 AC/DC 呢
它会输出三路的一个电源轨
有 5V 9V 15V
那么都是作为一个不同的一个输出电压
它们之间是相互独立的
这个时候呢
我们有两个 type-C 的一个输出口
那么每个 type-C 的输出口上呢
都需要能够支持 5V 9V 15V 3A 的一个功率
那么因为每个 type-C 口
它同时输出的一个电压电流都可能不一样
那么我们这个时候呢可以通过我们的一个
type-C 的一个端口控制器
来确定我们的 type-C 端口
需要输出一个什么样的一个电压
然后相应的把我们这个 type-C 呢
它的一个端口就接到一个相应的一个电源轨上
来实现一个电压的一个输出
那么这两个的一个端口的控制呢
都是互相独立的
那么这样子的一个好处呢就是说
因为我们的一个 AC/DC 到我们的一个输出端呢
中间没有第二级的一个支路
那么它是一个单级的一个
AC/DC 的一个拓扑
那么这样子整个系统的一个效率会非常高
但是呢在这种应用里面呢
我们往往会是一个三路独立输出的反激电源
我们的反馈呢只能调节到某一个支路上
其它两个支路上
它的一个电压调整率会变得非常差
同时的话要输出三个电压支路
而且每个电压支路上的电流都必须要保证 3A
那么会导致我们这个 AC/DC 会变得很大
而且很难设计
我们前面也提到我们要控制我们每路的一个输出
比如说是由一个 5V 到 15V 的一个
电压切换的时候一个
电压上升的一个电压斜率控制
那么很显然在我们的这个设计里面
就无法做到能够控制这个电压的一个
上升或者下降的一个斜率
最后一个缺点就是说
我们要保证两路端口都能够独立输出一个
最大 45W 的一个功率
所以说我们必须要设计一个
90W 的一个 AC/DC 电源
那实际上我们两个 C 口在很多场合下
它都不会输出一个 90W
就可能会导致我们的 AC/DC
一个设计的能量上的浪费
那么我们再来看第二种选项
第二种选项它会由我们的 AC/DC
进来之后呢先经过一级的一个 AC/DC
然后产生一个 17V 的一个中间母线
然后呢这个 17V 的中间母线呢
它会分成两路
那么每路呢它都会经过一个非隔离的一个
同步整流的一个 Buck 电路
然后同步整流 Buck 电路
它能够把我们的 17V
降压为 5V 9V 或者 15V
然后这个电压最终是输出到我们
type-C 口的一个端口上
两路的电路呢都是采用一个相同的结构
那么这样的一个做法呢
就会使我们的一个 type-C 口的输出呢
它的一个电压调整的一个精度会比较好
因为呢它这个电压呢
是由我们这个非隔离的一个 Buck 来提供的
同时的话它对我们的 AC/DC 来说呢
它会相对来说设计比较简单
因为它只有一路输出
那么呢对于两路
type-C 口的输出的一个电压呢
它也可以分别作为单独的调节
也能够控制它的一个上升的斜率
但是呢它的一个最大缺点就是说
因为采用了两级的一个电路
第一级是 AC/DC
第二级是 DC/DC 的 Buck
会使我们整个系统的效率呢损失非常大
同样的我们的 AC/DC 呢
也必须要按照
两路输出的最大功率 90W 来做设计
那么这样呢也会导致我们的 AC/DC
它本身的一个设计容量上的一个浪费
那么我们这里呢针对第二种方法呢
做了一个优化
我们在这种两级的一个拓扑里面
加入了一个端口
功率动态调整的一个功能
也就是说它使我们每个 type-C 口
它都能够根据另外一个口的一个连接情况
动态的调整本身的一个
广播的一个功率和电压
我们前面也提到我们 type-C 的一个
PD 的一个协议里面有个特点就是说
它允许我们 type-C 控制芯片呢
向外不停的广播我们
所能够支持的一个电压和功率等级
也就是说我们在任何时候呢
都可以通过我们的一个端口控制器
向外广播我们所能够支持的一个
电压和功率的一个范围
那么我们利用这个功能呢就可以实现
端口的一个动态功率调整
比如说我们两个的 type-C 口
它能够支持 PD 功能
当我们的一个 type-C 口
外接一个 type-C 负载之后呢
我们相应的这个口的一个
type-C 的一个端口控制器呢它会发出一个信号
然后指示我们另一个端口的一个
type-C 的一个端口控制器
使它呢能够把另外一个端口
向外广播的一个功率等级降低
来确保我们两个端口
都同时对外输出的时候呢
它的总共的一个输出功率
不会超过我们 AC/DC
所能允许的一个最大功率
如果说我们这两个 type-C 口当中
只有任何一个口有连接的时候呢
它都能够按照我们 AC/DC 的
最大输出功率来进行输出
那么在我们之前的一个设计案例里面
我们的一个 type-C 口
它能够支持 5V 9V 15V
然后 3A 最大 45W 的一个输出
假设我们两个端口中只有一个端口它有连接
它都能够随时输出一个 45W
那么当这个两个端口都有连接的时候呢
每个端口它都只能输出一个 45W 的一半
来实现一个总功率的一个动态调整
所以说采用了这种端口的
功率动态调整的方法之后呢
我们的整个 AC/DC 的设计功率呢就可以大大降低
考虑到我们不同的连接情况
对于我们的 AC/DC 来说呢
它最大的一个输出功率都不会超过 45W
也就是说我们在做这个 AC/DC 的设计时候
只需要按照做一个 45W 的一个设计就可以了
那这样子可以大大的降低
我们整个电源板的一个尺寸以及成本
那么这样子做的一个唯一的缺点就是
对于用户来讲它在两个端口都插上的时候
充电的速率可能无法达到
最大 90W 的一个充电功率
我们这一页的两个照片呢
其实上就是给出了我们前面
加入了端口动态功率调整功能的电源参考设计
它是 PMP11372
大家可以通过我们的官网呢
来搜索这个设计的一个所有的参数
那么它上面的一个第二级
包括那个非隔离的一个 Buck 电路
以及我们 type-C 端口的一个控制器
也就是我们的 PMP20172
那么当这两个板子叠在一起的时候呢
就形成了我们整个的一个
端口 type-C PD 的一个电源参考设计
那么对于这两个参考设计呢
我们第一级的 AC/DC
可以做到 93% 的效率
第二级的 DC/DC
可以做到 98% 的效率
同时呢我们的 AC/DC 跟 DC/DC
都可以按照相同的一个功率等级来进行设计
所以我们看到我们的 AC/DC 尺寸
有了一个大幅度的一个减小
最后我们对所讲内容做一个总结
那么首先介绍了 type-C 的一些基本的要求
以及对于 PD 的设计来说
它有哪些动态或者静态的一些指标要求
然后呢我们分析了对于一个
只输出 5V 的一个适配器来说
它有哪些新的要求
对于 PD 的一个适配器来说呢
先来看了一个单口的一个 PD 设计
最后呢也是最复杂的
我们分析了这种支持 type-C PD 的
多路输出的一个适配器
它所需要注意到的一些特殊的地方
以上呢就是我今天要所讲的所有内容
谢谢大家
大家好 今天要给大家讲的是 我们关于 USB type C 的一些话题 大家都知道 USB type C 自从发布之后呢 已经越来越受到大家的广泛关注 市面上也逐渐出现了各种各样的 type-C 的一些终端产品 那么我们呢今天要讲的就是 关于这个新产品它里面 如果采用 USB type C 那么它对于我们的一些 Adapter 的离线电源的设计 会有什么影响 我们今天的课程呢 首先呢会介绍一下 USB type C 它的电源传输的要求 包括 PD 也包括非 PD 的一些要求 那么接下来呢我们会看 如果说我们的一个 AC/DC 的电源里面 要支持 USB type C 包括 PD 包括 非 PD 那么对于我们的一个 AC/DC 的电源 它的一个架构有一个什么样的挑战 我们的图里面呢 显示的是大家经常看到的一些 USB2.0/3.0 的一些接口 那么这里面呢又包括 Type-A 也包括 Type-B 一个接口 那么对于一个 Type-A 口来说 它是经常作为一个公口 然后呢向外输出能量 像我们的这些 B 口的话 更多的是作为一些作为 sink 然后接收能量的使用 那么对于 USB2.0 来说 Type-A 口和 Type-B 口呢它都只有四根线 但是呢在 USB3.0 里面 为了支持一个更高的一个传输速率 我们都会把它变成会有九根线 来支持一个高达 5G 或者 10G 以上的传输速率 那么对于 type C 口来说 它的主要变化有哪些呢 第一个就是说它是一个 能够用一个口走 USB2.0/3.0/3.1 的 也就是说它的接口里面的已经包含了 低速信号线跟高速信号线以及电源线 同时呢它也是能够支持一个正反插的功能 也就是不再像我们之前的 Type-A 口和 Type-B 口 要先辨别它的一个方向 才能够插入我们的一个端口里面 而对于我们的 Type-C 口来说 正插和反插都会是一样的效果 同时呢对于它的尺寸来说 我们的 Type-C 口的尺寸 跟我们现在看到的一个 Micro-B 口的尺寸基本是差不多的 所以说它的大小也有很大的一个改进 同时呢它也能够支持市面上 现在所有常见的一个数据格式 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口 还有那个功率传输接口 为了兼容我们 Type-C 口 与传统的一些 Type-A 口 和 Type-B 口的设备 我们同样也定义了一些 比如说 C 到 C C 到 A C 到 B 的一些线缆 那么这样子的话就可以使我们的 新型的 Type-C 的设备 能够跟我们传统的一些 Type-A 口和 Type-B 口的设备 能够进行连接 那么很显然一个拥有Type-C口的设备 它就不再需要一些 USB2.0 的接口 USB3.1 的接口 HDMI 口 所有的口只需要用一个 Type-C 口 就能够解决所有的问题 我们传统的 USB 设备 它都能够支持一定的充电功率 那比如说 USB2.0 它能够支持 5V 0.5A 的一个充电功率 那么到了3.0呢 它支持 5V 0.9A 对于 BC1.2的话 它最大的充电功率能够达到 5V 1.5A 也就是 7.5W 的一个充电功率 那如果说还要再往上走 比如说要给我们的笔记本 或者是给我们的一些移动硬盘 或者电视机来进行充电 那么这个功率 7.5W 就明显是不足的 那这个时候呢我们就可以考虑到 基于一些 Type-C 跟 PD 的一个方案 这里我们需要特别指出的是 USB Type-C 跟 PD 并不是一个 绑定的一个充电架构 我们可以采用 USB Type-C 而不采用 PD 那么如果在这种情况下 也就是 USB Type-C 的一个非 PD 方式 那么在这种 Type-C 非 PD 方式下 我们可以支持 5V 1.5A 或者是 5V 3A 那么也就是最大到 15W 的一个充电功率 如果说这个时候 我们采用了一个 USB PD 的一个充电协议 那么我们的一个充电电压 可以最高达到 20V 充电电流最大也可以达到 5A 也就是说最大充电功率可以达到 100W 对于这个 100W 的充电功率来说 我们的笔记本或者小功率电视 这个充电功率是能够满足要求的 也就是说将来我们的所有的电气设备上 只要有了 Type-C 口 那么就有可能它能够达到 最大 100W 的一个充放电功率 来给我们的各种电气设备供电 那这样子就可以大大的减少 各种端口的一个浪费 对于一个 Type-C 和 PD 系统来说呢 它的一个数据传输方法 跟功率传输方法是互相独立的 那么对于我们的一个功率传输方法 我们可以把它分成三种 那么有的 Type-C 口 它是只作一个输出的功能 也就是它只是对外输出一个能量 那我们把它称作一个 DFP 这个比较常见于我们的一些 墙插 以及车载的一个充电器 那么也有的 Type-C 口 它是只作接收能量的使用 也就是它只能够从 Type-C 口 接收外部提供的能量 那么我们称这种端口称作一个 UFP 那这种常见的一个应用就是一些 通过 USB 供电的一些设备 比如说像 USB 台灯 当然也有的 Type-C 口 既能够作为能量输出的一个 DFP 也能够作为能量输入的 UFP 那么这种呢我们就称之为一个 DRP 的一个 Type-C 口 那么它的最主要的一个特点就是说 能量可以在这个口里面做一个双向流动 这种比较常见的应用 就是像我们的一些充电宝 那么对于数据的传输呢 跟我们的一个功率传输方法就比较类似 数据的传输也同样是可以作为一些 单向输出 单相输入 以及双向数据交换的一个方法 那么推动我们的 Type-C 作为一个 大一统的接口的一个主要推动力 就是我们越来越多的电子垃圾 那么据联合国统计 我们每年大概会有 三十万多的一个电子废品产生 这些电子废品就来源于 我们生活当中使用的各种电子设备 包括手机 电脑 显示器 平板之类的 因为我们知道每一台设备 在给我们标配的时候都会带一个适配器 那么随着我们的电子设备使用完 那么这种各种各样的适配器 因为接口的不一致 就有可能无法再次重新使用 这样子就形成一些新的电子垃圾 对于 USB PD 来说 它有一个重要特点就是 它的一个最大输出功率跟输出电压 是成一个单调的关系 那如果说一个适配器 它要获得一个 PD 认证 它就必须要能够支持 PD 所规定的四种标准电压 那分别是 5V 9V 15V 和 20V 同时的话输出的电压 是跟适配器的一个最大功率有关系的 比如说对于一个 15V 的一个适配器 它只需要支持一个 5V 3A 就可以了 那如果是一个是 27W 以下的 那它必须要能够支持 9V 3A 那如果是在 15W 以内的话 那么 5V 9V 15V 都需要支持 当然如果是在 45W 以上 比如说是一个 60W 的一个适配器 那么 20V 的输出电压就必须得到支持 同时 USB PD 的一个规范 也允许非 5V 9V 15V 20V 这四类电压档之外的电压存在 比如说 12V 那么我们可以在一个适配器里面 加入 12V 来兼容我们的现有的 市面上的各种 12V 的电子产品 这个图给出了我们 Type-C PD 的 一个简单握手流程 首先我们 Type-C 的一个接口 在没有接任何东西的时候 它的 VBUS 电压是等于零的 那这时候如果说有一个 Sink 或者一个 UFP 接进来之后 会在它的 CC 脚上检测到一个电阻 它会使我们的一个适配器 开始输出一个 5V 在 VBUS上 那么这个时候 VBUS 上能够输出一个 5V 对于 USB2.0 的话它是 0.5A 3.0 的话是 0.9A 的一个电流 那么有了 VBUS 这个 5V 之后呢 我们的两端的一个 Type-C 设备 就会通过 CC 线进行握手 那么我们的 Adapter 就会向我们的一个从端设备 广播它能够支持的一个各种各样的 功率 电压 电流 那么我们从端就能够接收到这个信号 在 CC 上识别出来 然后呢与自己所需要的 一个电压电流功率进行匹配 那么双方进行一个交互的通信 最终我们主端和从端都能够获得一个 大家都能够接受的一个功率等级 然后我们的适配器 会把我们的 VBUS 电压调整到 我们所想要的一个输出电压比如说 20V 那么对于一个 USB type C 的适配器 也就是 DFP 的一个 PD 系统来说 它一般会有四种的一个结构方式 那么第一种是一个单口的输出 而且这个单口输出只支持 5V 那么第二种结构方式就是说 它也是只支持 5V 输出 但是呢可能会有多个 type-C 口 作为一个输出口 第三种的一个结构方式有可能就是说 它是一个单口的一个 type-C 的一个口 但是它是会支持一个 USB PD 的一个输出方法 那么有可能就是说 会支持 5V 9V 15V 20V 第四种可能的一个结构呢就是说 是一个多口的系统 同时呢它也是支持一个 type-C PD 的充电方式 也就是说每个口上 它都能够支持一个 PD 的一个输出 那么这以上四种 就是我们对于一个 type-C 的适配器来说 有可能存在的四种方式 我们先来看对于一个 5V 输出时候的 一个整个系统的要求 那么 5V 输出的时候呢 我们这个时候依然要遵从一个 USB2.0 或者 3.1 的一个规范要求 比如说它会要求我们 5V 的一个 VBUS 电压 它是要最小值 4.75 最大呢不能超过 5.5V 那么在这个范围之内的 VBUS 电压 那么这个电压范围呢其实就包含了 我们所有有可能存在的各种各样的误差 那包括是那就包括我们 AC/DC 的本身的 一些调整的一些精度的误差 以及随着我们的输入电压 或者随着我们的一个负载电流 那么输入电压的一个波动率 那么第三个呢 也就是我们作为一个开关电源 它本身的一些开关电源的输出纹波 我们考虑到以上 所有的各种误差信号之后呢 都要保证我们的一个 VBUS 电压呢 都必须要在我们的 4.75 到 5.5V 之间 当我们的一个 USB 负载 发生一个负载跳变的时候呢 它依然会要求我们的 VBUS 电压 必须要在最小值和最大值之间 当然了我们这些提到的一些 VBUS 电压 必须要呢会是在 我们的 type-C 的一个端子上 然后测试到的一个真实的电压 对于一个单口 type-C 输出 5V 的适配器来说呢 它的 AC/DC 设计呢跟我们传统的一个 type-A 的 适配器来说并没有一个很大的区别 那么这里呢有一个主要的改动就是 我们的一个 type-C 口 有可能呢它会需要支持到一个 5V 3A 那么相比于我们传统的一个 type-A 口 只能支持到一个 5V 2.1A 的一个电流情况呢 它的负载电流发生了一个比较大的改变 负载电流由之前的 2A 上涨到 3A 之后呢 往往这个时候我们为了降低 整个系统的一个导通损耗 会要求在我们 AC/DC 的副边的一个整流管上 要采用一个同步整流的方式 另外一个大家需要注意到的地方就是说 基于我们 type-C 本身的一些规范要求 我们这个时候必须要在我们的 type-C 口的一个端口上 放置一个端口控制器 那么这个端口控制器主要就是作两个作用 第一个作用呢就是 它控制一个 CC 的一个信号 然后与外部的一个 type-C 的设备进行通信 来确定我们要输出的一个电压和电流 那么同时呢我们这个端口控制器 也能够控制在我们的 AC/DC 的输出 跟我们端口的 VBUS 之间的一个管子 能够确保我们的端口 在没有接任何东西的时候 我们的 AC/DC 输出 跟我们的一个 type-C 的 VBUS 是实现断开的 那么在这里呢我们 TI 有两种方案可以选 那么第一个就是用 TPS25810 这是一个高度集成的一个方案 它集成了一个 type-C 的一个端口控制器 以及我们 VBUS 跟我们 AC/DC 输出之间的 一个阻断的一个管子 那么第二种控制方式是采用一个 TUSB321 那么这个时候呢 我们就需要在外面加一颗 PMOS 管子 来实现我们 AC/DC 输出 跟我们 VBUS 的一个阻断 对于我们这个只有一路 5V 输出的一个 AC/DC 来说 它的主控芯片呢 可以考虑采用一个 PSR 控制的一个芯片 那么采用 PSR 控制芯片呢 就不需要副边的 431 跟光耦进行反馈 可以使我们整个系统的成本呢做到最优 同时呢也能够使我们的一个调整率 也能够满足 我们 5V 输出的一个电压精度的要求 这个图里面就是我们做的一个 5V 单路输出的 AC/DC 参考设计 那么我们在这个里面用的是一个 UCC28740 它是一个准谐振的控制器 然后副边呢用的是我们 UCC24636 SR 一个的控制器 来控制我们的副边的一个同步整流管 它能够实现同步整流管 近似于一个二极管的一个工作模式 我们的输出 我们的 ACDC 的 5V 输出呢 最终会到达我们的一个 type-C 的一个子卡上 在这个子卡上呢 有我们 type-C 的一个接口 以及端口的控制器 那么这样子就形成一个整个的 5V 单口输出的一个 type-C 的系统设计 这里左边图呢 是我们这个参考设计的一个照片 我们可以看到我们的 AC/DC 输出呢 最终是接到我们的一个很小的子卡上 这个子卡上呢通过 type-C 口进行输出 那么右边呢是我们整个系统的效率 那么我们可以看到我们的 AC/DC 可以在 5V 3A 输出的时候呢 做到一个 86.5% 以上的一个效率值 假如我们遇到一个 5V 输出 有多个输出的口的一个设计 那么我们这个时候呢可能就不仅仅就是说 会是两个或者三个 type-C 口 那有可能呢会是一个 type-A 口 或者是一个 type-C 口混合的一种方式 那么这个时候呢我们对于每个 type-C 口 它都需要有一个独立的一个端口控制器 来确保呢我们的那个 type-C 口上呢 一些 CC 的通信以及 VBUS 控制 都能够满足我们 type-C 的一个规范要求 那么对于这种应用的一个场合呢 基本上就是说因为多口输出 它的一个总体的一个输出功率 都一般会大于 15W 所以呢会需要我们在 AC/DC 的一个副边呢 加一个同步整流来降低我们的导通损耗 同时呢因为有多口输出 我们这个时候会推荐用一个 副边反馈的控制方式 来确保我们 ACDC 的输出的一个电压 能够达到一定的精度 但是因为我们是多口输出 我们无法保证每一个输出口上 都达到一个相同的一个电压精度 左下角这个图是我们做的一个 5V 输出 但是多口的一个参考设计 那么这里呢是一个 type-A 口 和 type-C 口的一个结合 我们首先来看整个系统的一个架构 AC 输入之后呢它会经过一个 25W的一个隔离的 ACDC 电源 然后呢形成一个母线的 5V 电压 那么在这个 5V 的母线电压上 它能够支持最大 5A 的输出 在这个时候呢它就分了两路 一路呢就是会通过我们的一个端口控制器 比如说像我们的 TPS25810 然后输出一个 5V 3A 到我们的一个 type-C 口 同时呢在我们的 ACDC 输出母线上呢 它还可以接一个 2A 的一个 USB 的电流控制器 比如说像 TPS2559 来给我们后端的一个 type-A 口 做一个 2A 的一个输出 那么总体呢一个输出功率 就会达到 5V 5A 也就是25W 那么对于一个适配器 如果它要支持一个 PD 的充电方式 它在一些电压精度上 有什么特殊的新的要求呢 根据我们前面对 PD 的一个描述 它实际上跟我们 5V 最大的区别就是说 我们支持了 PD 之后呢也就是意味着 我们有可能在我们的一个适配器上 会输出不同于 5V 的新电压 那包括是 9V 15V 或者 20V 那么对于这些新的一个电压等级 对它的一个电压精度的一个要求呢 它实际上跟我们的 5V 是一致的 也就是说它在新的一个电压等级下 它的一个最小和最大电压的一个范围 必须要包含它在 DC 工作时候的一个 调整率的一个精度 那在输入输出电压变化的时候一个 调整率的精度 以及它的一些纹波的一个要求 那么右边的这个图里面呢 就给出了在不同的一个 新的电压的一个范围下 它的一个最小值和一个最大值 我们所有的这些电压值 都必须要在我们的一个端口的 VBUS 上 来进行一个测量 对于一个 type-C 适配器来说呢 它的输出电压呢可能不是 5V 那么这个时候呢就有可能 需要把它的一个输出电压呢 从 5V 调到一个新的一个电压 那么这个时候呢电压调整就有一些要求 那么这个时候新的一个输出电压 必须要在我们标称电压的一个 ±5% 的误差之内 同时呢我们在这个电压调整过程当中 出现的一个电压过冲或者跌落 不能够超过 ±0.5V 同时呢我们在电压变化的一个斜率呢 必须要小于一个 30mV/us 的一个速度 上升的时间呢需要控制在 275 个毫秒之内 那么我们整个的一个适配器 要完成这个输出电压变化的过程的时间 不能够超过 285 个毫秒 这个呢就是对我们在做一个电压调整的时候的 一些具体的指标要求 如果这个时候我们适配器的负载电流呢 发生了变化 那么我们这个时候的规范就是 必须要保证第一个我们的输出电压呢 依然是在我们有效的电压幅度之内 也就是我们前面提到的那些 ±5% 的幅度之内 同时呢在我们的一个负载动态跳变的时候 我们的一个输出电压 能够恢复到我们正常的一个稳态值 所需要的时间不超过五个毫秒 在我们了解了一个 type-C PD 的一个规范要求之后 我们来看我们要怎么样设计一个 单口的一个支持 type-C PD 的一个 AC/DC 那么考虑到我们 type-C PD 的一些功率的等级 我们认为呢反激是最好的一个拓扑 在我们这个 type-C PD 的适配器里面应用反激 首先可以是非常简单 以及获得一个非常低的一个设计成本 那么第二个我们的反激拓扑 它也能够很好地适应一个 很宽的一个输入电压范围 以及很宽的一个输出电压范围 那么最后呢我们的一个反激拓扑 也可以达到一个比较好的一个效率 以及满足我们一些能源之星 或者 DOE 的一些待机功耗的一个要求 这个时候为了满足我们 type-C PD 的一个要求 比如说它是会需要我们的调整 type-C PD 的一个输出的一个电压 那么这个时候我们是需要采用到一个 副边的一个调整方式 来实施动态的根据 type-C 握手的结果 来调整我们的 VBUS 电压 那么我们原边 OUT 上的一个电压 实际上跟我们副边的输出电压是成正比的关系 在一个这么大的范围之内 我们往往需要呢在原边 把原边辅助绕组上的一个电压钳位到一个 能够让我们芯片正常接收的一个 VDD 的一个范围之内 这里呢是我们 TI 设计的一个 支持单口 PD type-C 的一个 AC/DC 方案 它是用一个 UCC28740 作为一个 主控的一个 AC/DC 的芯片 然后采用的也是一个副边反馈的一个方式 原边这里呢像我们刚刚提到的 它需要呢在我们的辅助绕组 跟我们芯片的 VDD 之间加一个钳位电路来确保 给我们的芯片 VDD 供电电压范围的稳定性 同时在我们的副边输出端呢我们也有Q9 作为阻断的开关来确保我们的 VBUS 电压 在没有接任何负载的时候是为零的 同时呢我们的一个同步整流管的一个驱动芯片呢 也是采用了一个 UCC24636 然后呢来降低我们同步整流管的导通损耗 对于我们这个 type-C 端口的一个控制器呢 我们用的是 TI 的 TPS25740 它是一个全模拟的 USB type-C PD 的控制芯片 能够自动完成一些 PD 的握手 然后呢调整我们副边反馈 431 的一个参考 那么这个图里面就是我们这个 TPS25740 的一个详细的一个电路图 左边这个照片呢就是我们刚刚提到的 支持单口 USB type-C PD 的一个参考设计 那么它的名称叫 PMP11451 大家如果对这个设计感兴趣的话 就可以直接上我们的 TI 的官网 然后搜索 PMP 的 Number 号 然后呢它上面有所有的一些设计的文档 包括原理图包括 PCB 以及一些测试报告 右边就是我们参考设计的一个效率测试的图 那么我们来看 对于一个有多口输出的 PD 适配器来说 它有哪些挑战呢 首先我们可能看到就是说 如果是要支持多口的 PD 输出的话 那么这个系统会非常复杂 因为每一个 PD 口 它可能所输出的电压都不一样 那么我们要保证每一个口 它都能够独立的输出不同的电压 那么会必然会导致呢 我们的系统会变得非常复杂 但是呢这里有一个好处就是说 我们的一个 type-C PD 的一个协议里面 它允许我们的每一个口的一个 所能够的广播的一个电压以及功率 它能够实时的一个动态的变化 那么这个特性呢非常有用 我们稍后呢会重点给大家讲到 回来看如果要支持一个 多路 PD 口输出的一个 AC/DC 来说呢 我们一般呢会想到有两种方案 那么第一种方案呢就是说 我们可以呢产生一个 不同输出电压的一个多路输出轨 比如说我要支持一个 5V 9V 15V 20V 那么我把四路电压我都先把它输出来 那么哪个端口需要哪路电压 直接通过一些 load switch 直接就是把我们端口的输出呢 切换到一个相应的一个电源轨上 来实现一个输出 那么第二种方式呢 我会采用一个中间母线的方式 就是我会呢比如说会 先用一级 AC/DC 先产生一个中间的一个电压 然后呢在后面带一些非隔离的一些 DC/DC 把我们的中间电压呢 降到我们想要输出的一个真正电压 那么这样子来实现一个后级的第二次调整 我们这里这个图里面呢 就给出了第一种方法的一个简单框图 我们来看首先呢我们的一个 AC 输入 它会经过一个 90W 的一个 AC/DC 那么这个 AC/DC 呢 它会输出三路的一个电源轨 有 5V 9V 15V 那么都是作为一个不同的一个输出电压 它们之间是相互独立的 这个时候呢 我们有两个 type-C 的一个输出口 那么每个 type-C 的输出口上呢 都需要能够支持 5V 9V 15V 3A 的一个功率 那么因为每个 type-C 口 它同时输出的一个电压电流都可能不一样 那么我们这个时候呢可以通过我们的一个 type-C 的一个端口控制器 来确定我们的 type-C 端口 需要输出一个什么样的一个电压 然后相应的把我们这个 type-C 呢 它的一个端口就接到一个相应的一个电源轨上 来实现一个电压的一个输出 那么这两个的一个端口的控制呢 都是互相独立的 那么这样子的一个好处呢就是说 因为我们的一个 AC/DC 到我们的一个输出端呢 中间没有第二级的一个支路 那么它是一个单级的一个 AC/DC 的一个拓扑 那么这样子整个系统的一个效率会非常高 但是呢在这种应用里面呢 我们往往会是一个三路独立输出的反激电源 我们的反馈呢只能调节到某一个支路上 其它两个支路上 它的一个电压调整率会变得非常差 同时的话要输出三个电压支路 而且每个电压支路上的电流都必须要保证 3A 那么会导致我们这个 AC/DC 会变得很大 而且很难设计 我们前面也提到我们要控制我们每路的一个输出 比如说是由一个 5V 到 15V 的一个 电压切换的时候一个 电压上升的一个电压斜率控制 那么很显然在我们的这个设计里面 就无法做到能够控制这个电压的一个 上升或者下降的一个斜率 最后一个缺点就是说 我们要保证两路端口都能够独立输出一个 最大 45W 的一个功率 所以说我们必须要设计一个 90W 的一个 AC/DC 电源 那实际上我们两个 C 口在很多场合下 它都不会输出一个 90W 就可能会导致我们的 AC/DC 一个设计的能量上的浪费 那么我们再来看第二种选项 第二种选项它会由我们的 AC/DC 进来之后呢先经过一级的一个 AC/DC 然后产生一个 17V 的一个中间母线 然后呢这个 17V 的中间母线呢 它会分成两路 那么每路呢它都会经过一个非隔离的一个 同步整流的一个 Buck 电路 然后同步整流 Buck 电路 它能够把我们的 17V 降压为 5V 9V 或者 15V 然后这个电压最终是输出到我们 type-C 口的一个端口上 两路的电路呢都是采用一个相同的结构 那么这样的一个做法呢 就会使我们的一个 type-C 口的输出呢 它的一个电压调整的一个精度会比较好 因为呢它这个电压呢 是由我们这个非隔离的一个 Buck 来提供的 同时的话它对我们的 AC/DC 来说呢 它会相对来说设计比较简单 因为它只有一路输出 那么呢对于两路 type-C 口的输出的一个电压呢 它也可以分别作为单独的调节 也能够控制它的一个上升的斜率 但是呢它的一个最大缺点就是说 因为采用了两级的一个电路 第一级是 AC/DC 第二级是 DC/DC 的 Buck 会使我们整个系统的效率呢损失非常大 同样的我们的 AC/DC 呢 也必须要按照 两路输出的最大功率 90W 来做设计 那么这样呢也会导致我们的 AC/DC 它本身的一个设计容量上的一个浪费 那么我们这里呢针对第二种方法呢 做了一个优化 我们在这种两级的一个拓扑里面 加入了一个端口 功率动态调整的一个功能 也就是说它使我们每个 type-C 口 它都能够根据另外一个口的一个连接情况 动态的调整本身的一个 广播的一个功率和电压 我们前面也提到我们 type-C 的一个 PD 的一个协议里面有个特点就是说 它允许我们 type-C 控制芯片呢 向外不停的广播我们 所能够支持的一个电压和功率等级 也就是说我们在任何时候呢 都可以通过我们的一个端口控制器 向外广播我们所能够支持的一个 电压和功率的一个范围 那么我们利用这个功能呢就可以实现 端口的一个动态功率调整 比如说我们两个的 type-C 口 它能够支持 PD 功能 当我们的一个 type-C 口 外接一个 type-C 负载之后呢 我们相应的这个口的一个 type-C 的一个端口控制器呢它会发出一个信号 然后指示我们另一个端口的一个 type-C 的一个端口控制器 使它呢能够把另外一个端口 向外广播的一个功率等级降低 来确保我们两个端口 都同时对外输出的时候呢 它的总共的一个输出功率 不会超过我们 AC/DC 所能允许的一个最大功率 如果说我们这两个 type-C 口当中 只有任何一个口有连接的时候呢 它都能够按照我们 AC/DC 的 最大输出功率来进行输出 那么在我们之前的一个设计案例里面 我们的一个 type-C 口 它能够支持 5V 9V 15V 然后 3A 最大 45W 的一个输出 假设我们两个端口中只有一个端口它有连接 它都能够随时输出一个 45W 那么当这个两个端口都有连接的时候呢 每个端口它都只能输出一个 45W 的一半 来实现一个总功率的一个动态调整 所以说采用了这种端口的 功率动态调整的方法之后呢 我们的整个 AC/DC 的设计功率呢就可以大大降低 考虑到我们不同的连接情况 对于我们的 AC/DC 来说呢 它最大的一个输出功率都不会超过 45W 也就是说我们在做这个 AC/DC 的设计时候 只需要按照做一个 45W 的一个设计就可以了 那这样子可以大大的降低 我们整个电源板的一个尺寸以及成本 那么这样子做的一个唯一的缺点就是 对于用户来讲它在两个端口都插上的时候 充电的速率可能无法达到 最大 90W 的一个充电功率 我们这一页的两个照片呢 其实上就是给出了我们前面 加入了端口动态功率调整功能的电源参考设计 它是 PMP11372 大家可以通过我们的官网呢 来搜索这个设计的一个所有的参数 那么它上面的一个第二级 包括那个非隔离的一个 Buck 电路 以及我们 type-C 端口的一个控制器 也就是我们的 PMP20172 那么当这两个板子叠在一起的时候呢 就形成了我们整个的一个 端口 type-C PD 的一个电源参考设计 那么对于这两个参考设计呢 我们第一级的 AC/DC 可以做到 93% 的效率 第二级的 DC/DC 可以做到 98% 的效率 同时呢我们的 AC/DC 跟 DC/DC 都可以按照相同的一个功率等级来进行设计 所以我们看到我们的 AC/DC 尺寸 有了一个大幅度的一个减小 最后我们对所讲内容做一个总结 那么首先介绍了 type-C 的一些基本的要求 以及对于 PD 的设计来说 它有哪些动态或者静态的一些指标要求 然后呢我们分析了对于一个 只输出 5V 的一个适配器来说 它有哪些新的要求 对于 PD 的一个适配器来说呢 先来看了一个单口的一个 PD 设计 最后呢也是最复杂的 我们分析了这种支持 type-C PD 的 多路输出的一个适配器 它所需要注意到的一些特殊的地方 以上呢就是我今天要所讲的所有内容 谢谢大家
大家好 今天要给大家讲的是
我们关于 USB type C 的一些话题
大家都知道 USB type C 自从发布之后呢
已经越来越受到大家的广泛关注
市面上也逐渐出现了各种各样的
type-C 的一些终端产品
那么我们呢今天要讲的就是
关于这个新产品它里面
如果采用 USB type C
那么它对于我们的一些 Adapter 的离线电源的设计
会有什么影响
我们今天的课程呢
首先呢会介绍一下 USB type C
它的电源传输的要求
包括 PD 也包括非 PD 的一些要求
那么接下来呢我们会看
如果说我们的一个 AC/DC 的电源里面
要支持 USB type C
包括 PD 包括 非 PD
那么对于我们的一个 AC/DC 的电源
它的一个架构有一个什么样的挑战
我们的图里面呢
显示的是大家经常看到的一些
USB2.0/3.0 的一些接口
那么这里面呢又包括 Type-A
也包括 Type-B 一个接口
那么对于一个 Type-A 口来说
它是经常作为一个公口
然后呢向外输出能量
像我们的这些 B 口的话
更多的是作为一些作为 sink
然后接收能量的使用
那么对于 USB2.0 来说
Type-A 口和 Type-B 口呢它都只有四根线
但是呢在 USB3.0 里面
为了支持一个更高的一个传输速率
我们都会把它变成会有九根线
来支持一个高达 5G 或者 10G 以上的传输速率
那么对于 type C 口来说
它的主要变化有哪些呢
第一个就是说它是一个
能够用一个口走 USB2.0/3.0/3.1 的
也就是说它的接口里面的已经包含了
低速信号线跟高速信号线以及电源线
同时呢它也是能够支持一个正反插的功能
也就是不再像我们之前的
Type-A 口和 Type-B 口
要先辨别它的一个方向
才能够插入我们的一个端口里面
而对于我们的 Type-C 口来说
正插和反插都会是一样的效果
同时呢对于它的尺寸来说
我们的 Type-C 口的尺寸
跟我们现在看到的一个
Micro-B 口的尺寸基本是差不多的
所以说它的大小也有很大的一个改进
同时呢它也能够支持市面上
现在所有常见的一个数据格式
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
包括 USB2.0 USB3.1 还有显示接口
还有那个功率传输接口
为了兼容我们 Type-C 口
与传统的一些 Type-A 口
和 Type-B 口的设备
我们同样也定义了一些
比如说 C 到 C C 到 A
C 到 B 的一些线缆
那么这样子的话就可以使我们的
新型的 Type-C 的设备
能够跟我们传统的一些
Type-A 口和 Type-B 口的设备
能够进行连接
那么很显然一个拥有Type-C口的设备
它就不再需要一些
USB2.0 的接口 USB3.1 的接口
HDMI 口 所有的口只需要用一个 Type-C 口
就能够解决所有的问题
我们传统的 USB 设备
它都能够支持一定的充电功率
那比如说 USB2.0
它能够支持 5V 0.5A 的一个充电功率
那么到了3.0呢
它支持 5V 0.9A
对于 BC1.2的话
它最大的充电功率能够达到 5V 1.5A
也就是 7.5W 的一个充电功率
那如果说还要再往上走
比如说要给我们的笔记本
或者是给我们的一些移动硬盘
或者电视机来进行充电
那么这个功率 7.5W 就明显是不足的
那这个时候呢我们就可以考虑到
基于一些 Type-C 跟 PD 的一个方案
这里我们需要特别指出的是
USB Type-C 跟 PD 并不是一个
绑定的一个充电架构
我们可以采用 USB Type-C
而不采用 PD
那么如果在这种情况下
也就是 USB Type-C 的一个非 PD 方式
那么在这种 Type-C 非 PD 方式下
我们可以支持 5V 1.5A 或者是 5V 3A
那么也就是最大到 15W 的一个充电功率
如果说这个时候
我们采用了一个 USB PD 的一个充电协议
那么我们的一个充电电压
可以最高达到 20V
充电电流最大也可以达到 5A
也就是说最大充电功率可以达到 100W
对于这个 100W 的充电功率来说
我们的笔记本或者小功率电视
这个充电功率是能够满足要求的
也就是说将来我们的所有的电气设备上
只要有了 Type-C 口
那么就有可能它能够达到
最大 100W 的一个充放电功率
来给我们的各种电气设备供电
那这样子就可以大大的减少
各种端口的一个浪费
对于一个 Type-C 和 PD 系统来说呢
它的一个数据传输方法
跟功率传输方法是互相独立的
那么对于我们的一个功率传输方法
我们可以把它分成三种
那么有的 Type-C 口
它是只作一个输出的功能
也就是它只是对外输出一个能量
那我们把它称作一个 DFP
这个比较常见于我们的一些 墙插
以及车载的一个充电器
那么也有的 Type-C 口
它是只作接收能量的使用
也就是它只能够从 Type-C 口
接收外部提供的能量
那么我们称这种端口称作一个 UFP
那这种常见的一个应用就是一些
通过 USB 供电的一些设备
比如说像 USB 台灯
当然也有的 Type-C 口
既能够作为能量输出的一个 DFP
也能够作为能量输入的 UFP
那么这种呢我们就称之为一个
DRP 的一个 Type-C 口
那么它的最主要的一个特点就是说
能量可以在这个口里面做一个双向流动
这种比较常见的应用
就是像我们的一些充电宝
那么对于数据的传输呢
跟我们的一个功率传输方法就比较类似
数据的传输也同样是可以作为一些
单向输出 单相输入
以及双向数据交换的一个方法
那么推动我们的 Type-C 作为一个
大一统的接口的一个主要推动力
就是我们越来越多的电子垃圾
那么据联合国统计
我们每年大概会有
三十万多的一个电子废品产生
这些电子废品就来源于
我们生活当中使用的各种电子设备
包括手机 电脑 显示器 平板之类的
因为我们知道每一台设备
在给我们标配的时候都会带一个适配器
那么随着我们的电子设备使用完
那么这种各种各样的适配器
因为接口的不一致
就有可能无法再次重新使用
这样子就形成一些新的电子垃圾
对于 USB PD 来说
它有一个重要特点就是
它的一个最大输出功率跟输出电压
是成一个单调的关系
那如果说一个适配器
它要获得一个 PD 认证
它就必须要能够支持
PD 所规定的四种标准电压
那分别是 5V 9V 15V 和 20V
同时的话输出的电压
是跟适配器的一个最大功率有关系的
比如说对于一个 15V 的一个适配器
它只需要支持一个 5V 3A 就可以了
那如果是一个是 27W 以下的
那它必须要能够支持 9V 3A
那如果是在 15W 以内的话
那么 5V 9V 15V 都需要支持
当然如果是在 45W 以上
比如说是一个 60W 的一个适配器
那么 20V 的输出电压就必须得到支持
同时 USB PD 的一个规范
也允许非 5V 9V 15V 20V
这四类电压档之外的电压存在
比如说 12V
那么我们可以在一个适配器里面
加入 12V 来兼容我们的现有的
市面上的各种 12V 的电子产品
这个图给出了我们 Type-C PD 的
一个简单握手流程
首先我们 Type-C 的一个接口
在没有接任何东西的时候
它的 VBUS 电压是等于零的
那这时候如果说有一个 Sink
或者一个 UFP 接进来之后
会在它的 CC 脚上检测到一个电阻
它会使我们的一个适配器
开始输出一个 5V 在 VBUS上
那么这个时候 VBUS 上能够输出一个 5V
对于 USB2.0 的话它是 0.5A
3.0 的话是 0.9A 的一个电流
那么有了 VBUS 这个 5V 之后呢
我们的两端的一个 Type-C 设备
就会通过 CC 线进行握手
那么我们的 Adapter
就会向我们的一个从端设备
广播它能够支持的一个各种各样的
功率 电压 电流
那么我们从端就能够接收到这个信号
在 CC 上识别出来
然后呢与自己所需要的
一个电压电流功率进行匹配
那么双方进行一个交互的通信
最终我们主端和从端都能够获得一个
大家都能够接受的一个功率等级
然后我们的适配器
会把我们的 VBUS 电压调整到
我们所想要的一个输出电压比如说 20V
那么对于一个 USB type C 的适配器
也就是 DFP 的一个 PD 系统来说
它一般会有四种的一个结构方式
那么第一种是一个单口的输出
而且这个单口输出只支持 5V
那么第二种结构方式就是说
它也是只支持 5V 输出
但是呢可能会有多个 type-C 口
作为一个输出口
第三种的一个结构方式有可能就是说
它是一个单口的一个 type-C 的一个口
但是它是会支持一个
USB PD 的一个输出方法
那么有可能就是说
会支持 5V 9V 15V 20V
第四种可能的一个结构呢就是说
是一个多口的系统
同时呢它也是支持一个 type-C PD 的充电方式
也就是说每个口上
它都能够支持一个 PD 的一个输出
那么这以上四种
就是我们对于一个 type-C 的适配器来说
有可能存在的四种方式
我们先来看对于一个 5V 输出时候的
一个整个系统的要求
那么 5V 输出的时候呢
我们这个时候依然要遵从一个 USB2.0
或者 3.1 的一个规范要求
比如说它会要求我们 5V 的一个 VBUS 电压
它是要最小值 4.75 最大呢不能超过 5.5V
那么在这个范围之内的 VBUS 电压
那么这个电压范围呢其实就包含了
我们所有有可能存在的各种各样的误差
那包括是那就包括我们 AC/DC 的本身的
一些调整的一些精度的误差
以及随着我们的输入电压
或者随着我们的一个负载电流
那么输入电压的一个波动率
那么第三个呢
也就是我们作为一个开关电源
它本身的一些开关电源的输出纹波
我们考虑到以上
所有的各种误差信号之后呢
都要保证我们的一个 VBUS 电压呢
都必须要在我们的 4.75 到 5.5V 之间
当我们的一个 USB 负载
发生一个负载跳变的时候呢
它依然会要求我们的 VBUS 电压
必须要在最小值和最大值之间
当然了我们这些提到的一些 VBUS 电压
必须要呢会是在
我们的 type-C 的一个端子上
然后测试到的一个真实的电压
对于一个单口 type-C
输出 5V 的适配器来说呢
它的 AC/DC 设计呢跟我们传统的一个 type-A 的
适配器来说并没有一个很大的区别
那么这里呢有一个主要的改动就是
我们的一个 type-C 口
有可能呢它会需要支持到一个 5V 3A
那么相比于我们传统的一个 type-A 口
只能支持到一个
5V 2.1A 的一个电流情况呢
它的负载电流发生了一个比较大的改变
负载电流由之前的 2A
上涨到 3A 之后呢
往往这个时候我们为了降低
整个系统的一个导通损耗
会要求在我们 AC/DC 的副边的一个整流管上
要采用一个同步整流的方式
另外一个大家需要注意到的地方就是说
基于我们 type-C 本身的一些规范要求
我们这个时候必须要在我们的
type-C 口的一个端口上
放置一个端口控制器
那么这个端口控制器主要就是作两个作用
第一个作用呢就是
它控制一个 CC 的一个信号
然后与外部的一个 type-C 的设备进行通信
来确定我们要输出的一个电压和电流
那么同时呢我们这个端口控制器
也能够控制在我们的 AC/DC 的输出
跟我们端口的 VBUS 之间的一个管子
能够确保我们的端口
在没有接任何东西的时候
我们的 AC/DC 输出
跟我们的一个 type-C 的 VBUS
是实现断开的
那么在这里呢我们 TI 有两种方案可以选
那么第一个就是用 TPS25810
这是一个高度集成的一个方案
它集成了一个 type-C 的一个端口控制器
以及我们 VBUS 跟我们 AC/DC 输出之间的
一个阻断的一个管子
那么第二种控制方式是采用一个 TUSB321
那么这个时候呢
我们就需要在外面加一颗 PMOS 管子
来实现我们 AC/DC 输出
跟我们 VBUS 的一个阻断
对于我们这个只有一路
5V 输出的一个 AC/DC 来说
它的主控芯片呢
可以考虑采用一个 PSR 控制的一个芯片
那么采用 PSR 控制芯片呢
就不需要副边的 431 跟光耦进行反馈
可以使我们整个系统的成本呢做到最优
同时呢也能够使我们的一个调整率
也能够满足
我们 5V 输出的一个电压精度的要求
这个图里面就是我们做的一个
5V 单路输出的 AC/DC 参考设计
那么我们在这个里面用的是一个 UCC28740
它是一个准谐振的控制器
然后副边呢用的是我们
UCC24636 SR 一个的控制器
来控制我们的副边的一个同步整流管
它能够实现同步整流管
近似于一个二极管的一个工作模式
我们的输出
我们的 ACDC 的 5V 输出呢
最终会到达我们的一个 type-C 的一个子卡上
在这个子卡上呢
有我们 type-C 的一个接口
以及端口的控制器
那么这样子就形成一个整个的
5V 单口输出的一个 type-C 的系统设计
这里左边图呢
是我们这个参考设计的一个照片
我们可以看到我们的 AC/DC 输出呢
最终是接到我们的一个很小的子卡上
这个子卡上呢通过 type-C 口进行输出
那么右边呢是我们整个系统的效率
那么我们可以看到我们的 AC/DC
可以在 5V 3A 输出的时候呢
做到一个 86.5% 以上的一个效率值
假如我们遇到一个 5V 输出
有多个输出的口的一个设计
那么我们这个时候呢可能就不仅仅就是说
会是两个或者三个 type-C 口
那有可能呢会是一个 type-A 口
或者是一个 type-C 口混合的一种方式
那么这个时候呢我们对于每个 type-C 口
它都需要有一个独立的一个端口控制器
来确保呢我们的那个 type-C 口上呢
一些 CC 的通信以及 VBUS 控制
都能够满足我们 type-C 的一个规范要求
那么对于这种应用的一个场合呢
基本上就是说因为多口输出
它的一个总体的一个输出功率
都一般会大于 15W
所以呢会需要我们在 AC/DC 的一个副边呢
加一个同步整流来降低我们的导通损耗
同时呢因为有多口输出
我们这个时候会推荐用一个
副边反馈的控制方式
来确保我们 ACDC 的输出的一个电压
能够达到一定的精度
但是因为我们是多口输出
我们无法保证每一个输出口上
都达到一个相同的一个电压精度
左下角这个图是我们做的一个 5V 输出
但是多口的一个参考设计
那么这里呢是一个 type-A 口
和 type-C 口的一个结合
我们首先来看整个系统的一个架构
AC 输入之后呢它会经过一个
25W的一个隔离的 ACDC 电源
然后呢形成一个母线的 5V 电压
那么在这个 5V 的母线电压上
它能够支持最大 5A 的输出
在这个时候呢它就分了两路
一路呢就是会通过我们的一个端口控制器
比如说像我们的 TPS25810
然后输出一个 5V 3A
到我们的一个 type-C 口
同时呢在我们的 ACDC 输出母线上呢
它还可以接一个 2A 的一个 USB 的电流控制器
比如说像 TPS2559
来给我们后端的一个 type-A 口
做一个 2A 的一个输出
那么总体呢一个输出功率
就会达到 5V 5A 也就是25W
那么对于一个适配器
如果它要支持一个 PD 的充电方式
它在一些电压精度上
有什么特殊的新的要求呢
根据我们前面对 PD 的一个描述
它实际上跟我们 5V 最大的区别就是说
我们支持了 PD 之后呢也就是意味着
我们有可能在我们的一个适配器上
会输出不同于 5V 的新电压
那包括是 9V 15V 或者 20V
那么对于这些新的一个电压等级
对它的一个电压精度的一个要求呢
它实际上跟我们的 5V 是一致的
也就是说它在新的一个电压等级下
它的一个最小和最大电压的一个范围
必须要包含它在 DC 工作时候的一个
调整率的一个精度
那在输入输出电压变化的时候一个
调整率的精度
以及它的一些纹波的一个要求
那么右边的这个图里面呢
就给出了在不同的一个
新的电压的一个范围下
它的一个最小值和一个最大值
我们所有的这些电压值
都必须要在我们的一个端口的 VBUS 上
来进行一个测量
对于一个 type-C 适配器来说呢
它的输出电压呢可能不是 5V
那么这个时候呢就有可能
需要把它的一个输出电压呢
从 5V 调到一个新的一个电压
那么这个时候呢电压调整就有一些要求
那么这个时候新的一个输出电压
必须要在我们标称电压的一个
±5% 的误差之内
同时呢我们在这个电压调整过程当中
出现的一个电压过冲或者跌落
不能够超过 ±0.5V
同时呢我们在电压变化的一个斜率呢
必须要小于一个 30mV/us 的一个速度
上升的时间呢需要控制在 275 个毫秒之内
那么我们整个的一个适配器
要完成这个输出电压变化的过程的时间
不能够超过 285 个毫秒
这个呢就是对我们在做一个电压调整的时候的
一些具体的指标要求
如果这个时候我们适配器的负载电流呢
发生了变化
那么我们这个时候的规范就是
必须要保证第一个我们的输出电压呢
依然是在我们有效的电压幅度之内
也就是我们前面提到的那些 ±5% 的幅度之内
同时呢在我们的一个负载动态跳变的时候
我们的一个输出电压
能够恢复到我们正常的一个稳态值
所需要的时间不超过五个毫秒
在我们了解了一个
type-C PD 的一个规范要求之后
我们来看我们要怎么样设计一个
单口的一个支持 type-C PD 的一个 AC/DC
那么考虑到我们 type-C PD 的一些功率的等级
我们认为呢反激是最好的一个拓扑
在我们这个 type-C PD 的适配器里面应用反激
首先可以是非常简单
以及获得一个非常低的一个设计成本
那么第二个我们的反激拓扑
它也能够很好地适应一个
很宽的一个输入电压范围
以及很宽的一个输出电压范围
那么最后呢我们的一个反激拓扑
也可以达到一个比较好的一个效率
以及满足我们一些能源之星
或者 DOE 的一些待机功耗的一个要求
这个时候为了满足我们 type-C PD 的一个要求
比如说它是会需要我们的调整
type-C PD 的一个输出的一个电压
那么这个时候我们是需要采用到一个
副边的一个调整方式
来实施动态的根据 type-C 握手的结果
来调整我们的 VBUS 电压
那么我们原边 OUT 上的一个电压
实际上跟我们副边的输出电压是成正比的关系
在一个这么大的范围之内
我们往往需要呢在原边
把原边辅助绕组上的一个电压钳位到一个
能够让我们芯片正常接收的一个
VDD 的一个范围之内
这里呢是我们 TI 设计的一个
支持单口 PD type-C 的一个 AC/DC 方案
它是用一个 UCC28740 作为一个
主控的一个 AC/DC 的芯片
然后采用的也是一个副边反馈的一个方式
原边这里呢像我们刚刚提到的
它需要呢在我们的辅助绕组
跟我们芯片的 VDD 之间加一个钳位电路来确保
给我们的芯片 VDD 供电电压范围的稳定性
同时在我们的副边输出端呢我们也有Q9
作为阻断的开关来确保我们的 VBUS 电压
在没有接任何负载的时候是为零的
同时呢我们的一个同步整流管的一个驱动芯片呢
也是采用了一个 UCC24636
然后呢来降低我们同步整流管的导通损耗
对于我们这个 type-C 端口的一个控制器呢
我们用的是 TI 的 TPS25740
它是一个全模拟的 USB type-C PD 的控制芯片
能够自动完成一些 PD 的握手
然后呢调整我们副边反馈 431 的一个参考
那么这个图里面就是我们这个
TPS25740 的一个详细的一个电路图
左边这个照片呢就是我们刚刚提到的
支持单口 USB type-C PD 的一个参考设计
那么它的名称叫 PMP11451
大家如果对这个设计感兴趣的话
就可以直接上我们的 TI 的官网
然后搜索 PMP 的 Number 号
然后呢它上面有所有的一些设计的文档
包括原理图包括 PCB 以及一些测试报告
右边就是我们参考设计的一个效率测试的图
那么我们来看
对于一个有多口输出的 PD 适配器来说
它有哪些挑战呢
首先我们可能看到就是说
如果是要支持多口的 PD 输出的话
那么这个系统会非常复杂
因为每一个 PD 口
它可能所输出的电压都不一样
那么我们要保证每一个口
它都能够独立的输出不同的电压
那么会必然会导致呢
我们的系统会变得非常复杂
但是呢这里有一个好处就是说
我们的一个 type-C PD 的一个协议里面
它允许我们的每一个口的一个
所能够的广播的一个电压以及功率
它能够实时的一个动态的变化
那么这个特性呢非常有用
我们稍后呢会重点给大家讲到
回来看如果要支持一个
多路 PD 口输出的一个 AC/DC 来说呢
我们一般呢会想到有两种方案
那么第一种方案呢就是说
我们可以呢产生一个
不同输出电压的一个多路输出轨
比如说我要支持一个 5V 9V 15V 20V
那么我把四路电压我都先把它输出来
那么哪个端口需要哪路电压
直接通过一些 load switch
直接就是把我们端口的输出呢
切换到一个相应的一个电源轨上
来实现一个输出
那么第二种方式呢
我会采用一个中间母线的方式
就是我会呢比如说会 先用一级 AC/DC
先产生一个中间的一个电压
然后呢在后面带一些非隔离的一些 DC/DC
把我们的中间电压呢
降到我们想要输出的一个真正电压
那么这样子来实现一个后级的第二次调整
我们这里这个图里面呢
就给出了第一种方法的一个简单框图
我们来看首先呢我们的一个 AC 输入
它会经过一个 90W 的一个 AC/DC
那么这个 AC/DC 呢
它会输出三路的一个电源轨
有 5V 9V 15V
那么都是作为一个不同的一个输出电压
它们之间是相互独立的
这个时候呢
我们有两个 type-C 的一个输出口
那么每个 type-C 的输出口上呢
都需要能够支持 5V 9V 15V 3A 的一个功率
那么因为每个 type-C 口
它同时输出的一个电压电流都可能不一样
那么我们这个时候呢可以通过我们的一个
type-C 的一个端口控制器
来确定我们的 type-C 端口
需要输出一个什么样的一个电压
然后相应的把我们这个 type-C 呢
它的一个端口就接到一个相应的一个电源轨上
来实现一个电压的一个输出
那么这两个的一个端口的控制呢
都是互相独立的
那么这样子的一个好处呢就是说
因为我们的一个 AC/DC 到我们的一个输出端呢
中间没有第二级的一个支路
那么它是一个单级的一个
AC/DC 的一个拓扑
那么这样子整个系统的一个效率会非常高
但是呢在这种应用里面呢
我们往往会是一个三路独立输出的反激电源
我们的反馈呢只能调节到某一个支路上
其它两个支路上
它的一个电压调整率会变得非常差
同时的话要输出三个电压支路
而且每个电压支路上的电流都必须要保证 3A
那么会导致我们这个 AC/DC 会变得很大
而且很难设计
我们前面也提到我们要控制我们每路的一个输出
比如说是由一个 5V 到 15V 的一个
电压切换的时候一个
电压上升的一个电压斜率控制
那么很显然在我们的这个设计里面
就无法做到能够控制这个电压的一个
上升或者下降的一个斜率
最后一个缺点就是说
我们要保证两路端口都能够独立输出一个
最大 45W 的一个功率
所以说我们必须要设计一个
90W 的一个 AC/DC 电源
那实际上我们两个 C 口在很多场合下
它都不会输出一个 90W
就可能会导致我们的 AC/DC
一个设计的能量上的浪费
那么我们再来看第二种选项
第二种选项它会由我们的 AC/DC
进来之后呢先经过一级的一个 AC/DC
然后产生一个 17V 的一个中间母线
然后呢这个 17V 的中间母线呢
它会分成两路
那么每路呢它都会经过一个非隔离的一个
同步整流的一个 Buck 电路
然后同步整流 Buck 电路
它能够把我们的 17V
降压为 5V 9V 或者 15V
然后这个电压最终是输出到我们
type-C 口的一个端口上
两路的电路呢都是采用一个相同的结构
那么这样的一个做法呢
就会使我们的一个 type-C 口的输出呢
它的一个电压调整的一个精度会比较好
因为呢它这个电压呢
是由我们这个非隔离的一个 Buck 来提供的
同时的话它对我们的 AC/DC 来说呢
它会相对来说设计比较简单
因为它只有一路输出
那么呢对于两路
type-C 口的输出的一个电压呢
它也可以分别作为单独的调节
也能够控制它的一个上升的斜率
但是呢它的一个最大缺点就是说
因为采用了两级的一个电路
第一级是 AC/DC
第二级是 DC/DC 的 Buck
会使我们整个系统的效率呢损失非常大
同样的我们的 AC/DC 呢
也必须要按照
两路输出的最大功率 90W 来做设计
那么这样呢也会导致我们的 AC/DC
它本身的一个设计容量上的一个浪费
那么我们这里呢针对第二种方法呢
做了一个优化
我们在这种两级的一个拓扑里面
加入了一个端口
功率动态调整的一个功能
也就是说它使我们每个 type-C 口
它都能够根据另外一个口的一个连接情况
动态的调整本身的一个
广播的一个功率和电压
我们前面也提到我们 type-C 的一个
PD 的一个协议里面有个特点就是说
它允许我们 type-C 控制芯片呢
向外不停的广播我们
所能够支持的一个电压和功率等级
也就是说我们在任何时候呢
都可以通过我们的一个端口控制器
向外广播我们所能够支持的一个
电压和功率的一个范围
那么我们利用这个功能呢就可以实现
端口的一个动态功率调整
比如说我们两个的 type-C 口
它能够支持 PD 功能
当我们的一个 type-C 口
外接一个 type-C 负载之后呢
我们相应的这个口的一个
type-C 的一个端口控制器呢它会发出一个信号
然后指示我们另一个端口的一个
type-C 的一个端口控制器
使它呢能够把另外一个端口
向外广播的一个功率等级降低
来确保我们两个端口
都同时对外输出的时候呢
它的总共的一个输出功率
不会超过我们 AC/DC
所能允许的一个最大功率
如果说我们这两个 type-C 口当中
只有任何一个口有连接的时候呢
它都能够按照我们 AC/DC 的
最大输出功率来进行输出
那么在我们之前的一个设计案例里面
我们的一个 type-C 口
它能够支持 5V 9V 15V
然后 3A 最大 45W 的一个输出
假设我们两个端口中只有一个端口它有连接
它都能够随时输出一个 45W
那么当这个两个端口都有连接的时候呢
每个端口它都只能输出一个 45W 的一半
来实现一个总功率的一个动态调整
所以说采用了这种端口的
功率动态调整的方法之后呢
我们的整个 AC/DC 的设计功率呢就可以大大降低
考虑到我们不同的连接情况
对于我们的 AC/DC 来说呢
它最大的一个输出功率都不会超过 45W
也就是说我们在做这个 AC/DC 的设计时候
只需要按照做一个 45W 的一个设计就可以了
那这样子可以大大的降低
我们整个电源板的一个尺寸以及成本
那么这样子做的一个唯一的缺点就是
对于用户来讲它在两个端口都插上的时候
充电的速率可能无法达到
最大 90W 的一个充电功率
我们这一页的两个照片呢
其实上就是给出了我们前面
加入了端口动态功率调整功能的电源参考设计
它是 PMP11372
大家可以通过我们的官网呢
来搜索这个设计的一个所有的参数
那么它上面的一个第二级
包括那个非隔离的一个 Buck 电路
以及我们 type-C 端口的一个控制器
也就是我们的 PMP20172
那么当这两个板子叠在一起的时候呢
就形成了我们整个的一个
端口 type-C PD 的一个电源参考设计
那么对于这两个参考设计呢
我们第一级的 AC/DC
可以做到 93% 的效率
第二级的 DC/DC
可以做到 98% 的效率
同时呢我们的 AC/DC 跟 DC/DC
都可以按照相同的一个功率等级来进行设计
所以我们看到我们的 AC/DC 尺寸
有了一个大幅度的一个减小
最后我们对所讲内容做一个总结
那么首先介绍了 type-C 的一些基本的要求
以及对于 PD 的设计来说
它有哪些动态或者静态的一些指标要求
然后呢我们分析了对于一个
只输出 5V 的一个适配器来说
它有哪些新的要求
对于 PD 的一个适配器来说呢
先来看了一个单口的一个 PD 设计
最后呢也是最复杂的
我们分析了这种支持 type-C PD 的
多路输出的一个适配器
它所需要注意到的一些特殊的地方
以上呢就是我今天要所讲的所有内容
谢谢大家
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视频简介
USB type C PD协议设计考量
所属课程：TI HVI系列培训
发布时间：2018.04.11
视频集数：26
本节视频时长：00:32:07
HVI为TI 美国本土每年一届的系统级电源设计研讨会。在这个研讨会中，TI的高级工程师们将和大家讨论常见的系统级电源设计中的各类问题，并介绍TI最新的创新电源解决方案。 会议讨论的主题涵盖从PFC到隔离式栅极驱动器，包括宽带隙解决方案以及电动汽车（EV）等应用主题。
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