TCPP02-M18，為尚未設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)建快速而強(qiáng)大的USB-C充電器

TCPP02-M18保護(hù)供電模式下的USB Type-C端口，防止VBUS引腳上的過電流和通信通道(CC線路)上的過電壓(最高24 V)。它是運(yùn)行在STM32 MCU上的USB-C平臺的配套芯片，包括微控制器可訪問的電流檢測機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更出色的應(yīng)用控制。TCPP02-M18是Type-C端口保護(hù)(TCPP)，面向源端(供電)的器件，不像TCPP01-M12保護(hù)的是吸端模式(耗電)下的USB-C端口。雖然兩者有相似之處，比如CC1和CC2引腳上的系統(tǒng)級ESD保護(hù)(IEC61000-4-2 Level 4規(guī)定的±8 kV額定值)，但它們應(yīng)對的挑戰(zhàn)截然不同。

為什么說當(dāng)前階段的TCPP02-M18有著重要的意義?

規(guī)范統(tǒng)一帶來的新挑戰(zhàn)

小型USB-C充電器

歐盟委員會(huì)一直提倡充電設(shè)備使用USB-C連接器，由此帶來了新的挑戰(zhàn)。上周，歐洲議會(huì)頒布了一項(xiàng)新指令，要求在2024年秋季之前，所有手機(jī)都要強(qiáng)制使用通用USB-C充電接口。以前，許多公司會(huì)為自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和附送特定的充電器。設(shè)計(jì)人員甚至使用稀有的桶式插孔，確保消費(fèi)者只能使用對應(yīng)品牌的充電器。在歐盟的這一措施下，所有設(shè)備都將使用同一款充電器。因此，工程師必須考慮更多極端例子，例如有缺陷的充電系統(tǒng)等。雖然上述措施主要的關(guān)注點(diǎn)是環(huán)境效益，但其帶來的電氣挑戰(zhàn)同樣不可忽視。

在諸多問題中，需要工程師著重解決的有三個(gè)，分別是：功率優(yōu)化、外形因素，以及成本。消費(fèi)者希望使用更智能的充電器。因此，設(shè)計(jì)人員必須創(chuàng)造出能夠優(yōu)化功耗的應(yīng)用程序，尤其是在充電器達(dá)到極限時(shí)。此外，消費(fèi)者還希望充電器的尺寸進(jìn)一步得到縮減，智能化程度也能繼續(xù)提高。畢竟，歐盟此舉的根本目的是減少電子垃圾。因此，要想解決以上三個(gè)問題，難度相當(dāng)?shù)卮蟆?

STM32和TCPP02-M18將帶來更多優(yōu)勢

從傳統(tǒng)角度來看，工程師非常依賴于端口控制器。端口控制器的問題在于無法容納整個(gè)Cortex-M核心，且存儲(chǔ)容量較小，因而會(huì)給物料清單(BoM)增加的額外成本。除了USB-C端口，工程師們不能將它們用于其他用途，而在添加基本功能(比如電流檢測)時(shí)，通常需要在主板上集成更多的組件。因此，在縮小PCB尺寸與添加組件之間出現(xiàn)了矛盾，當(dāng)中不僅需要開展大量的工作，還可能推遲上市發(fā)布。此外，控制器和保護(hù)裝置也需要外部PMOS晶體管，進(jìn)一步增加了物料成本。

對于以上痛點(diǎn)，工程師設(shè)想了許多方案進(jìn)行規(guī)避。例如，使用內(nèi)置USB-C PD控制器的STM32微控制器可實(shí)現(xiàn)龐大的計(jì)算吞吐量。由于更先進(jìn)的控制，工程師們可以優(yōu)化各自的電源管理系統(tǒng)，甚至按照USB-C應(yīng)用程序運(yùn)行自己的整個(gè)固件，從而簡化整體開發(fā)。例如，可以將TCPP02-M18連接到STM32的ADC引腳，從而輕松地受益于即時(shí)電流傳感測量。簡單地說，工程師屆時(shí)將能以更直接的方式構(gòu)建功能更豐富的應(yīng)用。

帶有 USB-C 連接器、TCPP02-M18 和 STM32 MCU 的 USB-C 源應(yīng)用程序

尺寸與成本

使用STM32和TCPP02-M18或任何TCPP器件的另一個(gè)效果是減少了PCB上的組件數(shù)量。無需添加復(fù)雜的專用控制器或大量外部組件，就能創(chuàng)建穩(wěn)健的系統(tǒng)。因此，縮小設(shè)計(jì)尺寸將變得更加簡單。工程師也能得到更好的可靠性保證。事實(shí)上，器件越少，故障點(diǎn)也就越少。此外，STM32微控制器享有10年保修支持，而TCPP系列產(chǎn)品直接受益于我們的BIPOLAR-CMOS-DMOS(BCD)技術(shù)(該技術(shù)近期被公認(rèn)為IEEE發(fā)展史上的里程碑)。由于充電器現(xiàn)在必須應(yīng)對廣泛的應(yīng)用場景，所以必須滿足新的可靠性要求。

簡單、可靠的設(shè)計(jì)離不開經(jīng)濟(jì)劃算的物料成本和生命周期。如果工程師使用未集成USB-C PD控制器的STM32，則仍然可以使用TCPP02-M18來設(shè)計(jì)5 V / 3 A基礎(chǔ)應(yīng)用。而那些集成了USB-C PD控制器的STM32可以管理最高20 V@5 V(100 W)。 在這兩種情況下，STM32和TCPP02-M18有助于降低成本。此外，TCPP02-M18配套芯片包括一個(gè)充電泵，用于驅(qū)動(dòng)更經(jīng)濟(jì)劃算的NMOS晶體管(而非PMOS器件)。

電源保護(hù)有哪些特殊之處?

VBUS保護(hù)

TCPP02-M18特點(diǎn)

USB應(yīng)用者論壇(USB-IF)為供電模式下的USB-C端口定義了獨(dú)特的功能。例如，為另一個(gè)系統(tǒng)充電的產(chǎn)品必須監(jiān)測和控制電流。因此，TCPP02-M18具有過流保護(hù)功能，并在VBUS上集成了柵極驅(qū)動(dòng)器。與之相對的是，用于受電設(shè)備的TCPP01-M12具有過電壓保護(hù)功能，因?yàn)榻邮针姾傻漠a(chǎn)品必須協(xié)商電壓，并保護(hù)自己不受有缺陷的充電器或電纜的影響。另外，USB-IF將供電端口定義為冷連接器，即斷開電纜后，不會(huì)有電流流動(dòng)。因此，斷開連接之后的TCCP02-M18有一個(gè)放電路徑，將電流重定向到接地。

CC和VCONN保護(hù)

USB-C是可反轉(zhuǎn)的連接器，無論哪一面朝上，電纜都可以插入端口。這是因?yàn)檫B接器使用兩個(gè)通信信道，一個(gè)在頂部(CC1)，另一個(gè)在底部(CC2)。USB-C電纜只有一根CC線，依靠端口檢測電纜連接到的信道來確定方向。因此，保護(hù)CC線路是非常重要的。TCPP02-M18為CC線路提供最高6 V的過壓保護(hù)，防止與VBUS短路。該保護(hù)裝置還確保為通信信道提供高ESD保護(hù)。

插入U(xiǎn)SB-C電纜后，未使用的CC線路作為可選輸電線(如果需要)，用于電纜和小型配件。例如，VCONN線路可以為電子標(biāo)記線纜(EMCA)供電。后者包含的IC可以調(diào)理信號，以延長線纜長度。其中的挑戰(zhàn)在于，USB-IF將VCONN的功率設(shè)為0.1 W。因此，TCPP02-M18包括最高50 mA的過流保護(hù)和最高6 V的過壓保護(hù)，以防止與VBUS短路。

如何入門?

NUCLEO-G071RB上的STEVAL-2STPD01

要想快速入門USB-C供電產(chǎn)品設(shè)計(jì)，就需要借助STEVAL-2STPD01和X-NUCLEO-SRC1M1。第一個(gè)是雙端口參考設(shè)計(jì)，使用兩個(gè)TCPP02-M18和一個(gè)STM32G0(具有兩個(gè)USB-C PD控制器，以及功率共享功能)。實(shí)際上，STPD01可以共享120 W功率。因此，從理論角度來說，如果一個(gè)端口只給一臺遺留設(shè)備充電15 W，則另一個(gè)端口可以提供剩下的120 W。然而，STEVAL-2STPD01將每個(gè)端口所能提供的功率均限制為60 W(20 V@3 A)。開始設(shè)計(jì)時(shí)，工程師會(huì)獲得一張示意圖和一個(gè)軟件包STSW-2STPD01。

X-NUCLEO-SRC1M1是更傳統(tǒng)的子板，配有一個(gè)USB-C端口、一個(gè)TCPP02-M18，以及ST715高壓穩(wěn)壓器等其他組件，支持最高100 W的功率配置文件。工程師可以將其用于Nucleo板，板件上的MCU包含一個(gè)USB PD控制器，例如NUCLEO-G071RB、NUCLEO-G474RE，以及NUCLEO-G0B1RE。它使應(yīng)用設(shè)計(jì)更加簡單直接，特別是在使用X-CUBE-TCPP驅(qū)動(dòng)和中間件之后。此外，也可以使用X-NUCLEO-SRC1M1(不帶內(nèi)嵌USB PD控制器的MCU)，例如NUCLEO-F446RE。但是，開發(fā)人員只會(huì)受益于采用該配置的5 V解決方案。

NUCLEO-G0B1RE上的X-NUCLEO-SRC1M1