Thêm Tính Năng Cung Cấp Năng Lượng USB Type-C vào Thiết Kế của Bạn!

Giới thiệu

USB Type-C Power Delivery (PD) đang trở nên ngày càng phổ biến trong thiết kế phần cứng, cung cấp khả năng cấp hoặc nhận lên đến 100W (thậm chí lên đến 240W trong bản cập nhật 2.1!) của năng lượng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cơ bản về USB Type-C Power Delivery và học cách dễ dàng tích hợp một IC PD chuyên dụng vào thiết kế của bạn.

Hình 1 Bảng Demo USB Type-C PD

Các loại cổng USB và cáp tương ứng, như USB Type-A và Type-B đã là tiêu chuẩn cho kết nối dữ liệu và năng lượng cho hầu hết lịch sử của USB. Tuy nhiên, các giao diện này có hạn chế về khả năng cung cấp năng lượng. Ngược lại, USB Type-C cung cấp một giải pháp linh hoạt hơn với các chân có khả năng xử lý dòng điện cao hơn và các chân kênh truyền thông cho việc thương lượng năng lượng.

Hình 2 Cổng Kết Nối USB Type-C (Nguồn: Farnell)

Hình 3 Bố Trí Chân Cổng USB-C (Nguồn: All About Circuits)

Các chân mà chúng ta quan tâm, đặc biệt là cho việc cung cấp năng lượng, tất nhiên là các chân năng lượng và chân mát (VBUS, GND) nhưng cũng bao gồm các chân kênh truyền thông (CC1, CC2). Các chân CC này có thể được sử dụng để thương lượng năng lượng giữa các thiết bị (nguồn và đích).

Chúng tôi sẽ không đi vào chi tiết về thông số kỹ thuật USB Type-C PD ở đây, nhưng tôi rất khuyến khích bạn xem hai bài giới thiệu của Texas Instruments và USB-IF.

Ngoài ra, hãy chắc chắn xem video hướng dẫn đầy đủ về thiết kế phần cứng dựa trên USB Type-C PD tại đây.

IC Điều Khiển USB Type-C PD

Một phương pháp rất đơn giản để sử dụng USB Type-C delivery, nếu bạn chỉ cần lên đến 15W năng lượng, thực sự là không cần 'thương lượng trực tiếp'. Điều này được thực hiện bằng cách kéo xuống các dòng CC1 và CC1 qua các điện trở 5.1kOhm riêng biệt trên thiết bị của bạn sẽ hấp thụ dòng điện. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng phương pháp này không cho phép kiểm tra xem nguồn có hỗ trợ năng lượng này không.

Hình 4 Điện Trở Kéo Xuống 5.1k CC

Một cách tiếp cận tốt hơn để tích hợp USB Type-C Power Delivery vào thiết kế của bạn, là sử dụng một IC điều khiển USB Type-C PD. Các mạch tích hợp này được thiết kế để xử lý quá trình thương lượng và cung cấp năng lượng. Nhiều nhà sản xuất sản xuất các IC này, cung cấp các gói và khả năng khác nhau phù hợp với yêu cầu cụ thể của bạn. Hãy chắc chắn sử dụng Octopart để kiểm tra nhiều lựa chọn IC USB PD khác nhau!

Hình 5 IC USB-C PD của Infineon (Nguồn: Infineon)

Chúng ta sẽ tập trung vào Infineon CYPD3177, một bộ điều khiển USB Type-C PD có khả năng hỗ trợ USB PD 3.0 Revision 2.0, cung cấp đến 100 watt năng lượng (chỉ nhận). IC này làm cho việc thương lượng các yêu cầu về điện áp và dòng điện khác nhau trong giao thức USB PD trở nên rất dễ dàng và không yêu cầu nhiều cấu hình và mạch ngoại vi.

Ngoài ra, CYPD3177 tích hợp khối I²C, cho phép bạn điều khiển thiết bị bằng bộ điều khiển chủ ngoại vi. Điều này mở ra cơ hội để tùy chỉnh và điều chỉnh cài đặt USB PD ngoài các cài đặt điện áp và dòng điện cơ bản.

Sơ đồ mạch

May mắn thay, Infineon cung cấp một bảng dữ liệu rất tốt, cũng như tài liệu tham khảo thiết kế phần cứng cho bảng đánh giá của họ. Tất cả thông tin chúng ta cần để tạo sơ đồ mạch đều có trong những tài liệu đó.

Một sơ đồ tham khảo đơn giản được hiển thị dưới đây:

Hình 6 Sơ đồ tham khảo (Nguồn: Infineon)

Nguồn vào và Kết nối USB Type-C

Các kết nối với cổng USB Type-C là VBUS, và GND, cũng như các chân CC1/CC2. Hãy chắc chắn thêm bảo vệ ESD (và lọc, nếu cần) – tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng của bạn.

IC được cấp nguồn qua chân VBUS_IN (chân 18) và tự tạo ra các điện áp cần thiết của mình, bao gồm một nguồn +3.3V dòng thấp mà chúng ta có thể sử dụng cho một số mạch ngoại vi. Điều này rất tiện lợi, vì IC không cần một nguồn cung cấp bên ngoài thêm.
Như thường lệ, chúng ta cần một số tụ lọc ở VCCD (chân 24) và VDDD (chân 23) như được hiển thị trong sơ đồ tham khảo.

Nguồn ra và FETs

Bạn đã nhận thấy hai bộ transistor PFET ở phía trên của sơ đồ mạch. Bộ ở vị trí cao nhất được điều khiển bởi IC PD (VBUS_FET_EN, chân 3) để hoạt động như một công tắc tải. Một khi việc thương lượng hoàn tất qua các dây CC, công tắc được đóng lại để cho phép dòng điện chảy từ nguồn gắn vào cổng USB Type-C qua các hệ thống phụ của thiết bị của bạn. Bộ PFET phía dưới có chức năng công tắc tương tự. Tuy nhiên, công tắc này chỉ được đóng lại bởi IC PD (SAFE_PWR_EN, chân 4) nếu việc thương lượng thất bại, và hệ thống chuyển về nguồn điện +5V thông thường (và dòng điện thấp hơn) trên dây VBUS. Cần chọn transistor phù hợp (ví dụ, tổn thất thấp, khả năng xử lý dòng điện đủ, cũng như giới hạn điện áp cổng-nguồn và dòng-nguồn phù hợp), cũng như mạch ngoại vi (điện trở, tụ điện, và diode) theo khuyến nghị của bảng dữ liệu. Bạn cũng có thể theo dõi thiết kế tham khảo đã liên kết trước đó cho lựa chọn linh kiện cụ thể. Thiết lập Yêu cầu Điện áp và Dòng điện IC PD có thể được điều khiển qua giao diện I²C đã nêu trên (HPI_SDA và HPI_SCL, chân 12 và 13), hoặc rất đơn giản qua điện trở strapping ngoại vi (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN, và VBUS_MAX, chân 5, 6, 1, và 2). Đối với tùy chọn điện trở strapping, điện áp tại các chân liên quan được lấy mẫu khi IC khởi động và điều này xác định phạm vi điện áp thương lượng, cũng như dòng điện tối đa yêu cầu. Điều này được hiển thị trong bảng dưới đây:

Hình 7 Tùy chọn Điện trở Strapping

Khác Mạch trước đây là số lượng tối thiểu chúng ta cần cho IC PD này hoạt động - như bạn thấy, không có nhiều thứ! Tuy nhiên, có một số tính năng bổ sung có thể hữu ích, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của bạn. Ví dụ, các chân I²C có thể được kết nối với bộ điều khiển chủ để cấu hình thêm, chân FLIP (chân 10) có thể được sử dụng để chỉ ra hướng của cáp USB Type-C được gắn và để thiết lập nếu thiết bị có khả năng truyền dữ liệu hay không, và chân FAULT (chân 9) chỉ ra nếu nguồn không thể cung cấp điện áp hoặc dòng điện yêu cầu hoặc nếu một sự kiện quá điện áp được phát hiện.

PCB

Thiết kế PCB cho IC PD cụ thể này khá đơn giản, mặc dù IC được đóng gói theo kiểu QFN. Hình dưới đây cho thấy phần cứng được tích hợp trên một bảng mạch hai lớp trong Altium Designer, vì không có thành phần tần số cao nào trong thiết kế này (nhanh nhất là thời gian tăng/giảm của giao diện I²C). Lớp trên được sử dụng cho định tuyến điện và tín hiệu, trong khi lớp dưới được dành riêng cho một mặt đất rắn, hầu như không bị gián đoạn. Tùy chọn nguồn dự phòng không được sử dụng ở đây.

Hình 8 PCB IC PD USB-C (3D)

Điều chúng ta cần chú ý là phải đảm bảo các kết nối nguồn của mình có kích thước đủ lớn để giảm thiểu sự sụt giảm điện trở DC IR và giữ cho mức tăng nhiệt độ ở mức hợp lý. Tôi đề xuất giữ cho các đường dẫn (hoặc thậm chí là các đa giác) mang điện của bạn càng ngắn càng tốt và sử dụng máy tính toán độ rộng đường dẫn theo IPC-2221 để tính toán độ rộng đường dẫn cần thiết. Do đó, các thành phần xử lý điện, như công tắc PFET cũng được đặt gần với các thành phần điện khác liên quan.
Nếu có sự mất cân đối lớn về đồng trên các mặt của cùng một thành phần, hãy nhắm đến việc sử dụng các phương tiện giảm nhiệt để làm cho quá trình lắp ráp dễ dàng hơn.

Ngoài ra, các tụ bù và tụ lọc nên được đặt gần với các chân liên quan của IC PD. Chúng ta có thể đặt các bộ phận ‘ít quan trọng’ hơn, như các điện trở strapping xa hơn so với gói IC QFN, vì điều này cho chúng ta không gian rộng rãi để phân phối thiết bị.

Hình 9 Định tuyến PCB USB Type-C PD

Kết luận

Bài viết này đã trình bày cơ bản về việc triển khai cung cấp điện USB Type-C trong các thiết kế phần cứng của riêng bạn. Như chúng ta đã thấy, quá trình này - nhờ vào các IC PD chuyên dụng - rất đơn giản, không yêu cầu nhiều bộ phận bổ sung.

Hãy chắc chắn xem video hướng dẫn thiết kế đầy đủ tại đây, bao gồm một số chi tiết tinh tế và theo dõi cùng với bản dùng thử miễn phí của Altium Designer!