探索TPD2S300：USB Type - C端口的保護(hù)先鋒

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，USB Type - C接口因其強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用而備受青睞。然而，隨之而來的是CC引腳面臨的各種挑戰(zhàn)，如過壓、靜電放電等問題。德州儀器（TI）的TPD2S300作為一款單芯片USB Type - C端口保護(hù)解決方案，為這些問題提供了有效的應(yīng)對策略。今天，我們就來深入了解一下TPD2S300的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tpd2s300.pdf

一、TPD2S300特性剖析

過壓保護(hù)能力卓越

TPD2S300具備2通道$V{BUS}$短路過壓保護(hù)（CC1、CC2），能夠承受24V DC電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，由于USB PD規(guī)范中$V{BUS}$電壓可能出現(xiàn)波動(dòng)，甚至非合規(guī)適配器可能會(huì)超出規(guī)范，而TPD2S300高達(dá)24V的耐受能力就為CC引腳提供了可靠的保護(hù)。例如，當(dāng)$V_{BUS}$設(shè)置為20V運(yùn)行時(shí)，電壓在轉(zhuǎn)換過程中可能達(dá)到21.5V，TPD2S300的高耐壓設(shè)計(jì)就能應(yīng)對這種情況。

ESD保護(hù)可靠

它集成了2通道IEC 61000 - 4 - 2 ESD保護(hù)（CC1、CC2），這對于保護(hù)USB Type - C端口免受終端用戶產(chǎn)生的ESD沖擊至關(guān)重要。在實(shí)際使用中，用戶的操作可能會(huì)產(chǎn)生靜電，而TPD2S300的ESD保護(hù)功能可以有效防止這些靜電對設(shè)備造成損害。

低靜態(tài)電流設(shè)計(jì)

TPD2S300的靜態(tài)電流低至3.23μA（典型值，$PWR$、$V_{M} = 3.3V$），這種低功耗設(shè)計(jì)對于像智能手機(jī)這類對電池續(xù)航要求較高的設(shè)備來說非常關(guān)鍵。在追求高性能的同時(shí)，降低功耗可以有效延長設(shè)備的使用時(shí)間。

強(qiáng)大的電流承載能力

支持200mA電流的CC1、CC2過壓保護(hù)FET，可傳遞$CONN$供電。當(dāng)CC引腳配置為提供$V_{CONN}$電源時(shí)，能夠滿足相關(guān)的功率需求，為有源電纜等設(shè)備提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

集成CC無電電池電阻器

這一特性可用于處理移動(dòng)設(shè)備中的無電電池用例。在移動(dòng)設(shè)備電池沒電的情況下，USB Type - C電源適配器需要看到CC引腳上的$R{D}$下拉電阻才能開啟$V{BUS}$供電，TPD2S300集成的該電阻器就能在這種情況下發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)無電電池充電。

小巧封裝

采用1.4mm × 1.4mm WCSP封裝，大大減小了占用的電路板空間，對于空間有限的智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備來說是一個(gè)很大的優(yōu)勢。

二、應(yīng)用案例分析

智能手機(jī)應(yīng)用

在智能手機(jī)應(yīng)用中，通常需要USB2.0支持和20V、2A充電。為了實(shí)現(xiàn)20V充電，需要使用USB PD。這里使用TUSB422來添加USB Type C和USB - PD物理層。由于可能會(huì)出現(xiàn)$V_{BUS}$短路到CC引腳的情況，且CC引腳需要IEC61000 - 4 - 2系統(tǒng)級ESD保護(hù)，同時(shí)考慮到智能手機(jī)的電路板空間有限，TPD2S300就成為了理想的選擇。

在設(shè)計(jì)過程中，VBIAS電容需要選擇至少35 - V DC額定電容，推薦使用50 - V X7R電容，以應(yīng)對$V{BUS}$短路時(shí)可能出現(xiàn)的電壓波動(dòng)。在死電池操作方面，需要保證在手機(jī)沒電時(shí)仍能以20V和2A的功率充電，這就要求USB PD控制器在死電池模式下能接收電源，TPD2S300的OVP FETs在未供電時(shí)保持關(guān)閉，以保護(hù)PD控制器，同時(shí)其集成的死電池電阻器能讓電源適配器看到$R{D}$下拉電阻，從而開啟$V{BUS}$供電。此外，CC線電容需要滿足USB PD規(guī)范，TPD2S300和TUSB422的電容組合通常能滿足要求。FLT引腳用于通知APU出現(xiàn)$V{BUS}$短路事件，建議APU監(jiān)控該引腳，以便及時(shí)采取措施。

筆記本電腦應(yīng)用

筆記本電腦應(yīng)用中，需要USB3.0支持和20V、5A充電，使用TPS65987來添加USB - PD操作。同樣存在$V_{BUS}$短路到CC引腳的風(fēng)險(xiǎn)，且CC引腳需要ESD保護(hù)，同時(shí)考慮到電路板空間，TPD2S300是合適的保護(hù)方案。

VBIAS電容的選擇與智能手機(jī)應(yīng)用相同。在死電池操作方面，要支持100W的死電池充電，需要保證USB PD控制器在死電池模式下能接收電源，TPD2S300的相關(guān)設(shè)計(jì)能滿足這一需求。CC線電容方面，由于TPS65987和TPD2S300的電容組合可能無法滿足要求，需要添加外部電容。FLT引腳的操作與智能手機(jī)應(yīng)用類似。此外，在該應(yīng)用中需要1 - W $V_{CONN}$，可將TPD2S300置于低電阻模式，將VM引腳連接到3S電池電壓，以滿足電流和電壓要求。

電源適配器應(yīng)用

電源適配器需要為設(shè)備提供20V、3A的電源，使用TPS25740來添加USB - PD操作。同樣存在$V_{BUS}$短路到CC引腳的問題，且CC引腳需要ESD保護(hù)，TPD2S300能滿足這些保護(hù)需求。

VBIAS電容選擇與前面的應(yīng)用相同。由于該應(yīng)用是源模式，不需要死電池操作，但需要注意TPD2S300在未供電時(shí)會(huì)暴露其死電池電阻器，因此電源適配器的電源開關(guān)需要能夠阻止5 - V $V_{BUS}$進(jìn)入系統(tǒng)。CC線電容方面，需要添加外部電容來滿足USB PD規(guī)范。FLT引腳操作與其他應(yīng)用一致。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

電源供應(yīng)

VPWR引腳為TPD2S300的所有電路提供電源，建議在該引腳附近放置1μF的去耦電容。如果需要在死電池條件下運(yùn)行USB PD，TPD2S300需要與PD控制器共享相同的電源供應(yīng)。VM引腳用于控制CC OVP FETs的電阻，如果只需要CC模擬和PD通信，可將該引腳短接到VPWR；如果需要使用$V_{CONN}$，則需要將VM連接到獨(dú)立的9V - 22V電壓源，并在該引腳附近放置1μF的去耦電容。

布局設(shè)計(jì)

合理的布局對于保持CC線信號的完整性至關(guān)重要。旁路電容應(yīng)盡可能靠近$V{PWR}$和$V{M}$引腳，ESD保護(hù)電容應(yīng)靠近$V_{BIAS}$引腳，且所有電容都應(yīng)連接到堅(jiān)實(shí)的接地。對于C_CC1和C_CC2引腳，應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)的ESD建議，將設(shè)備盡可能靠近連接器放置，減少EMI耦合的可能性。同時(shí)，保護(hù)走線應(yīng)盡量筆直，避免尖銳角落，以減少電場積聚和EMI耦合。

四、總結(jié)與展望

TPD2S300憑借其卓越的特性和廣泛的應(yīng)用場景，為USB Type - C端口提供了全面而可靠的保護(hù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求，合理選擇電容、處理死電池操作、控制CC線電容以及監(jiān)控FLT引腳等。隨著USB Type - C技術(shù)的不斷發(fā)展，相信TPD2S300將在更多的電子設(shè)備中發(fā)揮重要作用，為電子工程師們提供更加穩(wěn)定、高效的設(shè)計(jì)解決方案。

各位電子工程師們，在你們的設(shè)計(jì)中是否也遇到過類似的USB Type - C端口保護(hù)問題呢？你們是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見解。