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USB Type-C接口设计门坎高 TCPC解决电力传输难题

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度91票   时间:2017年3月23日 04:55
通用串行总线(USB)在各种电子产品上皆可看见其踪影,而Type-C引入了USB电力传输(Power Delivery, PD)规格,更为USB新增许多功能。 不过,每个应用系统皆有其独特的PD应用需求,因此需要对应的管理解决方案。

通用串行总线(USB)的应用领域可谓包罗万象,在计算机、笔电、电视、手机、显示器、机顶盒等等皆可看见其踪影,在传统的Type A、微型(Micro-B)等连接接口其功能已逐渐不敷使用之同时,Type-C连接接口的到来,引入了USB电力传输(Power Delivery, PD)的新规格,新增许多功能扩展, 包括增加更多的电力供应与替代模式的使用等,每个应用系统皆有其独特的PD应用需求与电力供需措施。

Type-C接口提供PD USB设计新挑战浮现

由于众多应用领域多已形成主芯片概括大部分的功能,然而由于制程差异大,PD控制芯片难以整合至系统主芯片,因此大多须在系统中搭配一至多个PD控制芯片。 目前常见的PD控制芯片,皆包含一个微控制器(MCU)在里面。

然而,PD中的微控制器如何与系统单芯片(SoC)沟通? 缺乏一个有效且一致的接口,难以让SoC端以整个系统的观点来处理其应用需求,以及同时处理两个以上PD埠(Port)的应用问题。 例如,在有限的供电能力下,多个PD埠供电能力分配的问题、将笔电的两个PD双用途端口(DRP),以Type-C连接线接在一起所产生的自放自充,会产生无谓的电力损耗的问题等等。

TCPC架构应运而生 方便开发人员依循规划

为解决Type-C埠上所发生的状况,SoC可明确地了解并采取合宜措施,USB协会制定出Type-C Port Controller(TCPC)的架构,使SoC的开发人员在设计Type-C/PD应用时,有一致的控制接口与足够讯息,可让SoC端了解电力的使用状态、CC接脚的状态,以及一些警示讯息,并有完整的状态控制机制, 方便系统开发人员规划并设计PD协议层,使之发展适合其应用系统的PD Policy Engine与Device Port Manager。 图1是SoC中的Type-C Port Manager(TCPM)与TCPC的应用架构图。

图1中SoC端的TCPM包括Policy Engine、Protocol Layer与I2C主控端;TCPC则包括Type-C CC Logic、PD BMC Engine的物理层、数据传送与接收的缓存,以及I2C的设备端。


图1 SoC内TCPM与TCPC的应用架构
 
TCPM可藉由I2C主控端控制一至三个TCPC。 TCPM则透过I2C接口发送控制命令给TCPC,TCPC再将这些命令转换为电器讯号进行发送。

TCPC主要负责的功能有电压总线(VBus)的开关与放电管理,CC接脚中Vconn电源的提供、Type-C CC逻辑的控制与侦测,以及PD双相符号编码(BMC)的收发管理。 TCPC透过I2C设备端与主控端沟通,TCPC具备几组缓存器,分别用来表达该控制器的功能,用以控制该控制器与存放PD讯息。

TCPC加持 消费者使用安全有保障

由于PD应用可使用5伏特(V)、9伏特、15伏特、20伏特等不同电压,在供给较高的电压后,若将设备移除,必须自动将输出端口的电压降低至安全电压位准,以避免输出端口的残存高压损坏只能接受较低电压的设备。

例如,透过某PD埠以20伏特对笔电充电,此时将笔电移除,并接入手机或行动硬盘;若PD端口在笔电被移除后,没有在短时间内迅速将电压降至安全电压位准,则端口残存的20伏特电压将立刻打坏手机或行动硬盘,TCPC便制定了这些控制机制,确保消费者使用上的安全。

电力的使用并非永远稳定,总会遇到异常状况,电力异常状况包括过电压/低电压或过电流等。 在设备使用的电流超过双方所确认的电力合约时,产生电力异常,为避免系统危险,可发起PD Hard-Reset Message,令其重新发起电力合约的协议。

除了供电端的控管之外,设备端若察觉到来自供电端的电压异常,而且此电压超过设备所能承受的范围,同样也能发起PD Hard-Reset Message,并将电压先降至5伏特,以确保装置不会毁损,并重新协议电力合约。

实现动态功率分配一个系统的电力供应总量总是有限,可将总电量平均分配给系统中的每个端口,也可以依据使用状况给需求较高的端口供给较高的电力,而将其他的端口调整至最低供应量。 毫无疑问地,后者较为智能化且经济。

在某些具有三个PD充电埠的PD充电器中,如要每个PD充电埠支持20V/3A 60W的供电,则此PD充电器必须至少具备180瓦(W)的供电能力。 若此PD充电器的每个PD充电埠是由TCPC控制器组成,并由一个微控制器协调电力调配,则此充电器只须提供90∼100瓦,每个PD充电埠最高可以支持20V/3A,60瓦输出,最低时可以支持5V/3A,15瓦输出。

如此一来,可大幅地减低交流(AC)转直流(DC)模块的体积。 且PD充电器可针对所接入的设备,依照其需求和设备的电池容量状态进行分时供应,毕竟绝大部分的使用情况下,并非所有充电口都是随时插满且进行最大功率充电。

善用TCPM机制特性 缩短产品开发时程

在USB集线器(Hub)的PD应用系统中,如集线器内含TCPM机制,并外接TCPC实现PD的功能,则笔电或个人计算机的操作系统可藉由USB-C Bridge机制,询问集线器的各个PD埠其所连接的设备的功能特性与供电/耗电能力、电池容量状态、当时设备的使用状况,来调配电力的使用,达到较佳的电力智能分配。

由于TCPM程序可由SoC端运行,各领域的SoC端开发者可轻易地针对其专业领域发展适合应用的PD Policy Engine,为产品创造独特性与差异化,增加产品价值。 TCPM程序并可伴随SoC端的程序进行更新,使得PD应用有较佳的兼容性与使用体验。

威锋电子的VP230是一个由20伏特以上高压制程所设计的TCPC控制器,适合PD 5伏特、9伏特、12伏特、15伏特或20伏特各种不同电压的应用,可支持PD 3.0和快速角色交换(Fast Role Swap),具备高分辨率电压与电流的快速量测机制,使之容易判断电力的使用状况进行电力智能分配。 现已搭配USB 3.1Gen2 Hub(VL821)的TCPM通过USB-IF协会的PD芯片认证,可以提供参考设计与软件编写指引,便利客户发展其PD应用系统。

(本文作者任职于威锋电子)


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