Добавьте поддержку USB Type-C Power Delivery в свои проекты!

Введение

USB Type-C с функцией Power Delivery (PD) становится всё более распространённым в проектах аппаратного обеспечения, предлагая устройствам возможность получать или передавать до 100 Вт мощности (и даже до 240 Вт в обновлённой спецификации 2.1!). В этой статье мы рассмотрим основы USB Type-C Power Delivery и узнаем, как легко интегрировать специализированный PD IC в свои собственные проекты.

Рисунок 1 Демонстрационная плата USB Type-C PD

Коннекторы USB и соответствующие им кабели, такие как USB Type-A и Type-B, были стандартом для соединений данных и питания на протяжении большей части истории USB. Однако эти интерфейсы имеют ограничения в плане передачи питания. В отличие от них, USB Type-C предлагает более универсальное решение с контактами, способными выдерживать больший ток, и контактами коммуникационного канала для согласования питания.

Рисунок 2 Коннектор USB Type-C (Источник: Farnell)

Рисунок 3 Распиновка коннектора USB-C (Источник: All About Circuits)

Контакты, которые нас особенно интересуют в контексте передачи питания, это, конечно же, контакты питания и земли (VBUS, GND), а также контакты коммуникационного канала (CC1, CC2). Эти контакты CC могут использоваться для согласования питания между устройствами (потребителями и источниками).

Мы не будем подробно останавливаться на спецификации USB Type-C PD здесь, но я настоятельно рекомендую вам ознакомиться с двумя вводными статьями от Texas Instruments и USB-IF.

Кроме того, обязательно посмотрите полное видео о проектировании аппаратного обеспечения на основе USB Type-C PD здесь.

Контроллер IC USB Type-C PD

Очень простой метод использования USB Type-C для передачи питания, если вам нужно не более 15 Вт мощности, на самом деле возможен без «прямого согласования». Это достигается путём подключения к контактам CC1 и CC1 через отдельные резисторы на 5.1 кОм на вашем устройстве, которое будет потреблять ток. Однако имейте в виду, что этот метод не позволяет проверить, может ли источник поддерживать эту мощность.

Рисунок 4 Резисторы подтяжки 5.1 кОм CC

Лучший подход к интеграции USB Type-C Power Delivery в ваши проекты - использование контроллера USB Type-C PD. Эти интегральные схемы разработаны для управления процессом согласования и передачи энергии. Различные производители выпускают эти микросхемы, предлагая разные корпуса и возможности, чтобы соответствовать вашим конкретным требованиям. Обязательно используйте Octopart, чтобы ознакомиться с множеством различных вариантов микросхем USB PD!

Рисунок 5 Микросхема USB-C PD от Infineon (Источник: Infineon)

Мы сосредоточимся на Infineon CYPD3177, контроллере USB Type-C PD, способном поддерживать USB PD 3.0 Revision 2.0, предлагающем до 100 ватт мощности (только прием). Эта микросхема очень удобна для согласования различных требований к напряжению и току в рамках протокола USB PD и не требует много настроек и внешних схем.

Кроме того, CYPD3177 оснащен интегрированным блоком I²C, который позволяет управлять устройством с помощью внешнего хост-контроллера. Это открывает возможности для настройки и детальной корректировки настроек USB PD сверх базовых настроек напряжения и тока.

Схема

К счастью для нас, Infineon предоставляет очень хорошее техническое описание, а также справочник по проектированию аппаратного обеспечения для их оценочной платы. Все необходимые нам сведения содержатся в этих документах.

Ниже показана упрощенная справочная схема:

Рисунок 6 Справочная схема (Источник: Infineon)

Питание и разъем USB Type-C

Подключения к разъему USB Type-C включают VBUS и GND, а также контакты CC1/CC2. Обязательно добавьте защиту от ЭСР (и фильтрацию, если необходимо) – в зависимости от требований вашего приложения.

Микросхема питается через контакт VBUS_IN (контакт 18) и внутренне генерирует необходимые напряжения, включая низкотоковый источник +3.3В, который мы можем использовать для некоторых внешних схем. Это очень удобно, так как микросхеме не нужен дополнительный внешний источник питания.
Как обычно, нам нужны некоторые развязывающие конденсаторы на VCCD (контакт 24) и VDDD (контакт 23), как показано на справочной схеме.

Выход питания и FET

Вы, наверное, заметили два набора транзисторов PFET в верхней части схемы. Верхний набор управляется микросхемой PD (VBUS_FET_EN, вывод 3) и служит переключателем нагрузки. После завершения переговоров по линиям CC переключатель замыкается, чтобы позволить электроэнергии течь от источника, подключенного к разъему USB Type-C, к соответствующему подсистему вашего устройства. Нижний набор PFET выполняет аналогичную функцию переключения. Однако этот переключатель замыкается микросхемой PD (SAFE_PWR_EN, вывод 4) только в случае неудачи переговоров, и система переходит на типичные +5В (и меньший ток) по линии VBUS. Подходящие транзисторы (например, с низкими потерями, достаточной способностью управления током, а также подходящими пределами напряжения затвор-исток и сток-исток), а также внешняя схемотехника (резисторы, конденсаторы и диоды) должны быть выбраны в соответствии с рекомендациями в техническом описании. Вы также можете следовать ранее упомянутому референсному дизайну для выбора конкретных компонентов. Установка требований к напряжению и току Микросхему PD можно управлять либо через упомянутый интерфейс I²C (HPI_SDA и HPI_SCL, выводы 12 и 13), либо очень просто через внешние резисторы настройки (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN и VBUS_MAX, выводы 5, 6, 1 и 2). Для варианта с резисторами настройки напряжение на соответствующих выводах измеряется при запуске микросхемы, и это определяет диапазон договоренного напряжения, а также максимальный необходимый ток. Это показано в таблице ниже:

Рисунок 7 Варианты резисторов настройки

Разное Предыдущая схемотехника - это минимальное количество, необходимое для функционирования этой микросхемы PD – как видите, здесь не так много всего! Однако есть некоторые дополнительные функции, которые могут быть полезны в зависимости от вашего конкретного приложения. Например, выводы I²C могут быть подключены к хост-контроллеру для дальнейшей конфигурации, вывод FLIP (вывод 10) может использоваться для указания ориентации подключенного кабеля USB Type-C и для установки, является ли устройство способным к передаче данных или нет, а вывод FAULT (вывод 9) указывает, может ли источник обеспечить необходимое напряжение или ток или было обнаружено событие перенапряжения.

Печатная плата

Дизайн печатной платы для этой конкретной микросхемы PD прост, несмотря на то, что микросхема выполнена в корпусе типа QFN. Ниже показана аппаратура, встроенная на простой двухслойной плате в Altium Designer, поскольку в этом дизайне нет компонентов высокой частоты («самыми быстрыми» являются времена нарастания/спада интерфейса I²C). Верхний слой используется для маршрутизации питания и сигналов, тогда как нижний слой посвящен сплошной, почти непрерывной земляной плоскости. Здесь не используется вариант резервного питания.

Рисунок 8 Печатная плата USB-C PD IC (3D)

Нам необходимо позаботиться о том, чтобы наши соединения питания были достаточно широкими для уменьшения падения напряжения постоянного тока и для поддержания повышения температуры на разумном уровне. Я бы предложил делать проводящие дорожки (или даже полигоны) для передачи питания как можно короче, насколько это разумно возможно, и рассчитать необходимую ширину дорожек с помощью калькулятора IPC-2221. Таким образом, компоненты, работающие с питанием, такие как переключатели PFET, также размещаются близко к другим соответствующим компонентам питания.
Если на сторонах одного и того же компонента есть большие различия в медных покрытиях, стоит использовать тепловые рельефы для упрощения процесса сборки.

Кроме того, развязывающие и обходные конденсаторы следует размещать близко к соответствующим выводам микросхемы PD. Мы можем разместить 'менее критичные' части, такие как резисторы с шунтированием, дальше от корпуса микросхемы QFN, так как это оставляет нам достаточно места для разводки устройства.

Рисунок 9 Маршрутизация печатной платы USB Type-C PD

Заключение

В этой статье были изложены основы реализации питания USB Type-C в ваших собственных аппаратных проектах. Как мы видели, процесс – благодаря специализированным микросхемам PD – очень прост, и не требуется много дополнительных деталей.

Обязательно посмотрите полное видео с пошаговым руководством здесь, которое охватывает некоторые тонкости, и присоединяйтесь к бесплатной пробной версии Altium Designer!