USB PD應(yīng)用中的安全設(shè)計(jì)

USB type-c和USB PD的應(yīng)用可以說(shuō)才剛剛開(kāi)始，現(xiàn)在就談它的安全問(wèn)題似乎有點(diǎn)多余，因?yàn)槎鄶?shù)人都還沒(méi)有遇到，不會(huì)把這個(gè)問(wèn)題放在心上，但對(duì)真正的業(yè)內(nèi)人士來(lái)說(shuō)，這絕不是一個(gè)毫無(wú)意義的話題。

相比過(guò)去的USB應(yīng)用來(lái)說(shuō)，USB type-c接口和USB PD協(xié)議顯然要復(fù)雜得多，能力也強(qiáng)得多，其實(shí)現(xiàn)形式也多種多樣，這就帶來(lái)不同產(chǎn)品之間的兼容性問(wèn)題。2015年，相關(guān)組織和企業(yè)在美國(guó)進(jìn)行了一次所謂的“插拔大會(huì)”，會(huì)上把各家?guī)?lái)的產(chǎn)品放在一起進(jìn)行相互的插拔試驗(yàn)以檢驗(yàn)其兼容能力，結(jié)果在離開(kāi)的時(shí)候只有三家公司的6個(gè)樣品還活著，其他的樣品都在插拔過(guò)程中死掉了，這就給眾多的參與者提了一個(gè)醒，在參與這樣的應(yīng)用時(shí)應(yīng)該把安全放在第一位，否則，即使你的產(chǎn)品功能再好，一樣會(huì)在使用中很快死掉，最終也會(huì)退出市場(chǎng)，甚至可能讓你賠得傾家蕩產(chǎn)。

USB PD的應(yīng)用給使用USB type-c接口的應(yīng)用帶來(lái)了一個(gè)很大的變化，就是其接口上傳遞的電源電壓可以高達(dá)20V，電流可高達(dá)5A，最多可以傳送100W的功率給受電端使用，大大拓展了USB接口的應(yīng)用范圍。但是，USB type-c接口上的VBUS和CC端之間的距離太近了，它們實(shí)際上就緊靠在一起，如下圖所示：

這是USB Type-C插座的腳位分布圖，其中的VBUS就是最高電壓達(dá)20V(現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到21V)的承載端。CC1和CC2都是CC的備選端，其選中與否由插頭插入的方向決定，被選中者作為CC使用，成為設(shè)備與電纜及另一設(shè)備通訊交流的渠道，其信號(hào)的最高電壓為5V，剩下的另一個(gè)端子就成為VCONN端，供電端借此端子向電纜的內(nèi)部電路供電。

由于CC上的最高電壓為5V，很多接口器件就會(huì)采用比5V工作電壓稍高的設(shè)計(jì)和制程來(lái)制作，一旦VBUS和它短路，高電壓就會(huì)進(jìn)入該端子，對(duì)內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損傷，從而造成設(shè)備故障。下面這幅圖算是對(duì)這個(gè)問(wèn)題的形象化描述：

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C接口控制器是非常簡(jiǎn)單的，它要做的事情基本上就是用上拉電阻標(biāo)識(shí)本端口所在的設(shè)備為供電端、用下拉電阻標(biāo)識(shí)本端口所在的設(shè)備為受電端、為電纜提供VCONN電源、識(shí)別電流供應(yīng)/通過(guò)能力、確定電纜連接關(guān)系以及在完成接入識(shí)別以后開(kāi)啟VBUS通道等，由于不涉及提高VBUS電壓，VBUS上的電壓最多就是5V，所以采用低壓制程是完全可以的，其電路聯(lián)通以后的模型大致示意如下：

下面是它們的具體實(shí)現(xiàn)示意圖：

這是供電端的，

這是受電端的。如果一臺(tái)設(shè)備既可以做供電端，又可以做受電端，則其電路模型就是這樣的了：

這種設(shè)備可以擔(dān)任兩種角色，實(shí)用中具體采用哪一種需要雙方進(jìn)行協(xié)商或是人工進(jìn)行選擇，這就要進(jìn)行通訊，通訊是經(jīng)由CC通道完成的，其上傳遞的信息以BMC雙相編碼的方式進(jìn)行，雙方溝通的語(yǔ)言就是USB PD規(guī)范所定義的協(xié)議了。

借助USB PD協(xié)議，供需雙方不僅可以商定各自的角色，也可以商定實(shí)際需要的電壓和電流的大小，因而為實(shí)際的應(yīng)用提供了巨大的方便，但也帶來(lái)了隱患：如果VBUS電壓已經(jīng)提高了而CC端的耐壓電壓只比5V高一點(diǎn)點(diǎn)，一旦兩者之間發(fā)生短路，損害的出現(xiàn)就是自然的了。

為了避免CC端因?yàn)楹蚔BUS短路而造成損害，立锜科技的所有USB Type-C接口控制器和其它集成了該部件的器件都采用了高壓工藝來(lái)提高CC端的耐壓，它們?nèi)靠梢猿惺?0V以上的電壓沖擊。下面的波形圖展示了CC在工作過(guò)程中和20V VBUS發(fā)生短路的情形，由于CC端具有20V以上的耐受能力，短路狀況消除以后，信號(hào)又回到了正常狀態(tài)：

CC端為什么會(huì)和VBUS短路呢?除了上面提到的兩者相臨以外，這些因素也是需要考慮到的：使用者可能隨意地插拔、扭動(dòng)接插件，有的人甚至可能是用很粗魯?shù)姆绞絹?lái)對(duì)待它們，這都很容易直接造成短路事故或是破損，這種情形在接插件和電纜老化以后就更容易發(fā)生，因而是必須提早進(jìn)行防范的。下圖所示資料就說(shuō)明了立锜產(chǎn)品的防護(hù)能力：

在一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中，通常不會(huì)只是存在我們已經(jīng)談及的電路部分，MCU的存在幾乎是必然的事情，實(shí)際上USB PD的應(yīng)用策略通常都是由它來(lái)制定的。如果MCU在發(fā)出指令使USB Type-C接口輸出20V的電壓以后的某個(gè)時(shí)刻就死掉了，事情將會(huì)如何發(fā)展?這種情形你在使用電腦的時(shí)候一定遇到過(guò)，這不就是“宕機(jī)”嗎?

一種很合理的推測(cè)是你的受電端可能在這個(gè)時(shí)候發(fā)生變化，例如它只需要一個(gè)5V的電壓了，這既可能發(fā)生在一臺(tái)設(shè)備的內(nèi)部，也可能發(fā)生在設(shè)備更換的時(shí)候，而處理電源輸入的電路可能就只能接受5V電壓，20V的電壓一定會(huì)讓它死掉，所以這個(gè)“宕機(jī)”的狀況很可能是一個(gè)災(zāi)難的開(kāi)始。

對(duì)于這種問(wèn)題，立锜的USB Type-C/PD控制器是這樣預(yù)防的：它定時(shí)向MCU發(fā)送中斷信號(hào)，MCU在正常情況下就會(huì)去響應(yīng)此中斷，例如它會(huì)詢問(wèn)這控制器“你有什么事啊?”，這一問(wèn)好了，USB Type-C/PD控制器知道MCU還活著，它就回答說(shuō)“啊啊，沒(méi)事啊，我就是給你打個(gè)招呼問(wèn)個(gè)好”之類的，然后繼續(xù)工作下去。如果MCU長(zhǎng)時(shí)間不理會(huì)它，比如像下圖所示的200ms了還不響應(yīng)，控制器就主動(dòng)斷掉輸出，把自身的狀態(tài)改變成受電端的狀態(tài)，同時(shí)把輸出端的儲(chǔ)能主動(dòng)釋放掉使電壓降下來(lái)，使得任何設(shè)備接上去都是安全的，這樣就避免了系統(tǒng)“宕機(jī)”可能帶來(lái)的災(zāi)難性影響。

USB PD的應(yīng)用將USB總線的供電能力提高到了100W，如果在這種情況下出現(xiàn)VBUS和GND的短路，可能帶來(lái)的危險(xiǎn)也是很大的，立锜的應(yīng)用方案又是如何破解此問(wèn)題的呢?下面的應(yīng)用電路可以看到我們的做法：

這個(gè)電路的核心是RT1711P，是一款通過(guò)USB-IF認(rèn)證的單端口控制器，其主要特性如下圖所示：

我相信很少有人會(huì)在這里去看一款產(chǎn)品的詳細(xì)信息，所以不想花時(shí)間去把里面的英文變成中文，有需要的請(qǐng)?jiān)俳o我信息，我用另外的方法來(lái)滿足你。

在上面的原理圖中，RT1711P的EN端的狀態(tài)是與VBUS的狀態(tài)有關(guān)的，當(dāng)VBUS與GND短路時(shí)，EN端將變成低電平，這將使RT1711P復(fù)位成為SINK狀態(tài)，也就是受電端的狀態(tài)，同時(shí)VBUS路徑開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉，確保短路狀況不會(huì)再造成任何危害。下圖是對(duì)此電路的更清晰描述：

實(shí)際上，在VBUS和GND發(fā)生短路的那一刻，為之供電的DC/DC會(huì)遇到負(fù)載突然加大的問(wèn)題，其OCP功能會(huì)開(kāi)始運(yùn)作，由于電壓降低而帶來(lái)的UVP功能也會(huì)啟動(dòng)，而電流的增長(zhǎng)也會(huì)讓RT1711P本身的OCP功能被觸發(fā)，但此短路現(xiàn)象又會(huì)造成RT1711P本身的復(fù)位過(guò)程，到底哪一個(gè)先起作用，就看實(shí)際的過(guò)程是怎樣的了。了解了這一切以后，對(duì)于VBUS和GND的短路現(xiàn)象應(yīng)該就可以放心了，不會(huì)有什么東西會(huì)造成損壞。

相對(duì)而言，RT1711P是一個(gè)中等規(guī)模的USB Type-C/PD控制器，可以用在單USB接口的應(yīng)用中，此端口既可以作為DFP(下行端口)，也可作為UFP(上行端口)，也可以是雙重角色的端口(DRP)。如果你要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，你也可以選擇RT1711H，這是一款輕量級(jí)的USB Type-C/PD控制器，下面這幅圖是對(duì)它的簡(jiǎn)介：

如果要設(shè)計(jì)雙端口的設(shè)備，RT1712會(huì)是更好的選擇，它可以同時(shí)完成兩個(gè)端口的管理，下圖是對(duì)它的簡(jiǎn)介：

用它構(gòu)成的系統(tǒng)大概長(zhǎng)成這個(gè)樣子：

在某些應(yīng)用中，要使用獨(dú)立的USB Type-C/PD控制器會(huì)造成系統(tǒng)太復(fù)雜，長(zhǎng)期而言就不會(huì)有什么競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這時(shí)候就要將其功能和其他功能集成在一起而構(gòu)成單芯片的完整系統(tǒng)，下圖所示的電路就是這樣的示例：

這是AC/DC轉(zhuǎn)換器二次側(cè)的控制器，其中已經(jīng)集成了USB Type-C/PD控制器，MCU也被集成在其中，可以根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)它可以支持的應(yīng)用協(xié)議，已經(jīng)在某些要求嚴(yán)格的廠商中得到應(yīng)用，下圖是由它和RT7786一起構(gòu)成的完整AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖：

電源網(wǎng)上已經(jīng)有由此方案構(gòu)成的產(chǎn)品的拆解資料，有興趣的可以去看看，其中的另一顆器件RT7786也算是一款爆品，下表列出來(lái)的是它的一些標(biāo)準(zhǔn)版本，可供讀者應(yīng)用時(shí)參考。

從中可以看到，RT7786能夠支持的保護(hù)功能也是非常多的，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選型配置，之所以能夠如此，完全得益于它是一款數(shù)字化的控制器的緣故，可以靈活改變其配置。

如果你對(duì)支持USB PD應(yīng)用的AC/DC轉(zhuǎn)換器要求不太高，或許你也可以選擇這樣的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)：

這已經(jīng)被簡(jiǎn)化了許多，那么這樣的應(yīng)用還可不可以簡(jiǎn)化呢?答案是可以的，立锜還有很多產(chǎn)品可以滿足你的需求，可考慮到篇幅已經(jīng)夠大了，我就在這里打住吧，有需要的讀者請(qǐng)與我們的各個(gè)業(yè)務(wù)部門聯(lián)系，以便找到最符合自己需要的產(chǎn)品。