TPS25814：集成拉電流電源開關(guān)的 USB Type-C 控制器深度解析

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，USB Type-C 接口憑借其高功率傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸以及正反可插等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。TI 的 TPS25814 作為一款專門為 USB Type-C 設(shè)計(jì)的控制器，集成了拉電流電源開關(guān)，為 USB Type-C 接口的應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。本文將對(duì) TPS25814 的特性、應(yīng)用、詳細(xì)規(guī)格等方面進(jìn)行深入剖析，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

文件下載：tps25814.pdf

一、TPS25814 特性與應(yīng)用概述

特性亮點(diǎn)

1. 符合 USB Type-C 規(guī)范：具備線纜連接和方向檢測(cè)功能，集成式 VCONN 開關(guān)，CC 引腳耐壓達(dá) 26V，還支持可配置電流廣播。
2. 集成式 VBUS 供電端口電源開關(guān)：提供 5V、3A、36mΩ 的電源開關(guān)，且為 UL 認(rèn)證組件（E169910），具備欠壓和過壓保護(hù)，可配置高達(dá) 3A 的電流限制。
3. 其他特性：支持 USB type-C 連接器系統(tǒng)軟件接口（USCI），適用于工業(yè)溫度范圍，還提供面向多端口系統(tǒng)的可選簡(jiǎn)易電源管理。

應(yīng)用場(chǎng)景

1. 筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)：為電腦的 USB Type-C 接口提供穩(wěn)定的電源和數(shù)據(jù)傳輸控制。
2. 15W USB-C 充電器：實(shí)現(xiàn)高效的充電功能。
3. 集線站和集線器：用于擴(kuò)展 USB Type-C 接口數(shù)量，滿足多設(shè)備連接需求。

二、器件信息與規(guī)格

封裝信息

TPS25814 采用 QFN(RSM)封裝，尺寸為 4.0mm x 4.0mm。如需了解所有可用封裝，可參閱數(shù)據(jù)表末尾的可訂購(gòu)產(chǎn)品附錄。

詳細(xì)規(guī)格

1. 絕對(duì)最大額定值：涵蓋輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、源電流等多個(gè)參數(shù)的最大額定值，如輸入電壓范圍中，PP5V 為 -0.3V 至 6V，VBUS 為 -0.3V 至 28V 等。
2. ESD 額定值：人體模型（HBM）下所有引腳為 ±1000V，帶電設(shè)備模型（CDM）下為 +500V。
3. 推薦工作條件：規(guī)定了輸入電壓范圍、輸出電流等參數(shù)的推薦值，如 VIN3V3 為 3.0V 至 3.6V，輸出電流（from PP5V）的 VBUS 最大為 3A 等。
4. 推薦電容：給出了不同引腳的推薦電容值，如 CVIN_3V3 電容值為 5 至 10μF 等。
5. 熱信息：包含結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼等不同情況下的熱阻參數(shù)。
6. 電源特性：如 VBUS UVLO 閾值上升為 3.6V 至 3.9V 等。
7. 功耗：在不同工作模式下的電流和功率消耗，如 Active Source 模式下流入 VIN_3V3 的電流為 3mA 等。
8. PP_5V 電源開關(guān)特性：包括電阻、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，如 PP5V 到 VBUS 的電阻在 LOAD = 3A、TJ = 25°C 時(shí)為 36mΩ 等。

三、詳細(xì)功能描述

整體架構(gòu)

TPS25814 主要分為電纜插拔和方向檢測(cè)電路、端口電源開關(guān)、電源管理電路和數(shù)字核心幾個(gè)主要部分。

1. 電纜插拔和方向檢測(cè)：模擬電路可自動(dòng)檢測(cè) USB Type-C 電纜的插拔和方向。
2. 端口電源開關(guān)：根據(jù)檢測(cè)到的插頭方向，為 VBUS 引腳以及 CC1 或 CC2 引腳提供電源。
3. I2C 接口：具有 I2C 從端口，可由主機(jī)處理器控制。
4. 熱關(guān)斷機(jī)制：集成熱關(guān)斷機(jī)制，確保設(shè)備在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。

內(nèi)部電源路徑

1. PP_5V 路徑：從 PP5V 到 VBUS 的路徑，可連續(xù)傳導(dǎo)高達(dá) 3A 的電流，具備電流鉗位、過壓保護(hù)、UVLO 保護(hù)和溫度感應(yīng)電路。
2. PP_CABLE 路徑：從 PP5V 到 CCx 的路徑，可連續(xù)傳導(dǎo)高達(dá) 315mA 的電流，同樣具備多種保護(hù)機(jī)制。

電纜插拔和方向檢測(cè)功能

當(dāng)配置為源時(shí)，通過 CC1 和 CC2 引腳檢測(cè)電纜或接收器的連接狀態(tài)，根據(jù)不同的連接狀態(tài)采取相應(yīng)的動(dòng)作，如提供電源、監(jiān)測(cè)插拔等。

數(shù)字接口功能

1. 故障指示（FAULT）：當(dāng) PP_5Vx 電源路徑進(jìn)行電流鉗位時(shí)，F(xiàn)AULT 引腳置位。
2. 接收器連接指示（SINK）：檢測(cè)到有效接收器連接時(shí)，SINK 引腳置位。
3. 極性指示（POL）：SINK 引腳置位且 CC2 連接到插頭中的 CC 線時(shí)，POL 引腳置位。
4. 電源管理（CHG_HI）：根據(jù) CHG_HI 引腳狀態(tài)調(diào)整電流廣播和電流限制。
5. 電池充電控制（CTL）：控制 BC 1.2 充電模式。
6. 調(diào)試附件檢測(cè)（DEBUG）：檢測(cè)到 Type-C 調(diào)試附件連接時(shí)，DEBUG 引腳置低。
7. 禁用端口（EN）：將 EN 引腳置低可強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入 Type-C 錯(cuò)誤恢復(fù)狀態(tài)。

I2C 接口

1. 接口描述：支持標(biāo)準(zhǔn)和快速模式的 I2C 接口，通過 I2C_EC_SDA、I2C_EC_SCL 和 I2C_EC_IRQ 引腳提供設(shè)備狀態(tài)信息和控制功能。
2. 時(shí)鐘拉伸：支持 I2C 協(xié)議的時(shí)鐘拉伸功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
3. 地址設(shè)置：主機(jī)可通過 ADCINx 引腳選擇每個(gè)端口在 I2C_EC_SCL/SDA 總線上的唯一從地址。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

TPS25814 作為 Type-C DFP 控制器，僅在檢測(cè)到 UFP 連接時(shí)為 VBUS 供電，斷開時(shí)移除電源，還能提供 VCONN 電源，支持 BC 1.2 充電方案。

典型應(yīng)用 - Type C DFP 端口與嵌入式控制器的實(shí)現(xiàn)

1. Type-C 連接器 VBUS 電容：在 Type-C 連接器的 VBUS 引腳添加 10-nF、額定電壓 25V 及以上的電容，可過濾高頻噪聲和吸收電壓瞬變。
2. VBUS 肖特基和 TVS 二極管：肖特基二極管用于吸收電纜移除時(shí)的大 GND 電流，TVS 二極管用于抑制和鉗位瞬態(tài)電壓。
3. VBUS RC 緩沖器：可將 USB Type-C VBUS 的過壓響應(yīng)從欠阻尼變?yōu)榕R界阻尼或過阻尼，限制電壓波動(dòng)。

五、電源供應(yīng)建議

3.3-V 電源

VIN_3V3 輸入是 TPS25814 的主要電源，VIN_3V3 開關(guān)為單向開關(guān)，推薦連接 CVIN_3V3 電容。

1.5-V 電源

內(nèi)部電路由 1.5V 供電，通過 1.5-V LDO 從 LDO_3V3 降壓得到，推薦連接 CLDO_1V5 電容。

推薦負(fù)載電容

規(guī)格部分列出了不同電源的推薦電容值，需注意最小、典型和最大電容值的要求。

六、布局建議

布局準(zhǔn)則

合理的布線和元件放置可保持高速信號(hào)的完整性，提高熱耗散性能。

布局示例

遵循 Super / High Speed 信號(hào)的差分阻抗規(guī)范，對(duì)所有 I/O 進(jìn)行扇出。

元件放置

將 TPS25814 放置在電路板頂層，大部分元件放置在底層，CC 電容應(yīng)靠近相應(yīng)的 CC 引腳，ADCIN1/2 電壓分壓電阻可靈活放置。

布線和過孔放置

在頂層為 PP5V 和 VBUS 創(chuàng)建銅箔，使用至少 6 個(gè) 8-mil 孔和 16-mil 直徑的過孔將其連接到底層。

七、總結(jié)

TPS25814 作為一款功能強(qiáng)大的 USB Type-C 控制器，在特性、功能和保護(hù)機(jī)制等方面表現(xiàn)出色。電子工程師在設(shè)計(jì) USB Type-C 接口相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可充分利用其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在應(yīng)用和布局過程中遵循相應(yīng)的建議，以確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似 USB Type-C 控制器應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。