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基于PD(电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

工程师
2020-08-22 20:45:39     打赏

USB Type-C 接口的出现对电子产品用户来说真是太好了,不仅能得到好的性能,使用起来也很方便,正插、反插都可以,既不用担心插不进,也不用担心插错了,很多问题都被设计本身包容了。

基于PD (电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

图:电缆连接方式1

基于PD (电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

图:电缆连接方式2

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图:兼容不同连接方式的系统实现示意图

由于 PD (电源传输)协议的加持,USB-C 型接口可以传输的最大功率为 100W,VBUS 上的最高电压达到了 20V,相应的电流就不会太大,降低了对连接器和电缆的低阻抗要求,最新的 USB4 还将雷电接口、PCIe 和 DisplayPort 也兼容了进去,为设备间的互联带来了巨大的方便,人们的生活将变得越来越方便。

基于PD (电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

基于PD (电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

虽然好处多多,USB Type-C 接口的设计中也存在一些隐患,主要是两个 CC 端和两个 SBU 端与 VBUS 靠得太近了,插拔和摇动的时候容易发生短路的状况,而VBUS 的最高电压达 20V,这就给与 CC 和 SBU 端子连接的内部器件带来了风险,使它们很容易受到伤害,这个问题已经在应用中反复出现。立锜科技的 USBType-C/PD 产品都具有 CC 端高压防护能力,但这只能确保自身器件的安全,不能确保没有使用立锜产品的应用也是安全的。

USB 端口面临的另外一个风险来自静电,它们积聚在机壳上或外部物体上,一有机会就可能通过它的金属端子得到泄放,这个过程也很可能对其内部连接的芯片造成损害。

为了防范上述风险,将 RT1738 连接在 USB Type-C 接口和与接口相关的芯片之间就行了。

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RT1738 的内部电路结构如下图所示:

基于PD (电源传输)兼容不同连接方式系统的实现

RT1738 给与之连接的每个信号线都提供了静电泄放通道,在 CC 线和 SBU 线上插入了过压保护开关,前者可让静电自然流动消失而不带来损害,后者在接口端出现过压状况时可即时切断信号通路,避免内部主芯片受到高压的损害。

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如上图所示,当 RT1738 与连接器相连的 CON_CC1 端出现了从 0V 开始逐渐上升到最高 24V 的电压信号时,最初这个信号是可以直接传递到与主芯片相连的 CC1 一侧的,但在该信号电压上升到大约 6.5V 时 CC1 的电压就掉头向下了,因为连接在其间的信号开关已经被切断了。按照 RT1738 规格书的定义,CC 信号过压保护的触发阈值为 5.9V,过压保护开关断开的响应时间为 60ns,从上图所示信号的变化过程来看,该开关的响应特性是符合此规格的。我们之所以看到 CC1 处的信号在大约 6.5V 左右才掉头向下,这是因为 CON_CC1 处的信号在这几十 ns 的时间里还是处于上升状态的,其影响必然会在 CC1 端反应出来。

由于过压保护开关需要时间进行关断,出现在 CON_CC1 端的电压很可能在这段时间里被快速拉升,因此就有可能在 CC1 端出现可能危害主芯片的高电压,RT1738 就在 CC1 端放置了一个阈值电压为 7V 的电压钳位单元,绝不让这个地方的电压超过 7V。

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由于在信号线上插入了开关,信号通过的时候就会被衰减,线路的电流通过能力也会受到影响,为了将这种影响降到可以接受的程度,RT1738 在 CC 线上插入开关的导通阻抗在 25℃ 时的典型值仅为 255mΩ,最大也不会超过 390mΩ,容许的最大电流通过能力为±1.25A,而它们的 -3dB 信号带宽则高达 400MHz,完全可以满足 300Kbps 的 BMC 信号传输的需求。

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RT1738 为 SBU 信号线提供的处理方法与 CC 线类似,但是相应的参数略有区别。在实际的应用中,USB Type-C 接口的 SBU1/2 很可能被用于传输音频信号,它所要求的信号带宽可能会更宽,RT1738 给此信号线提供的带宽高达 1.1GHz,两个通道之间的串扰低达 -80dB,满足常规应用的需求应该是没有问题的。




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