有效防止USB Type-C接口被燒, TCPP01-M12讓工程師為歐盟新規(guī)做好準(zhǔn)備

TCPP01-M12芯片可以在受電模式(充電)下保護(hù)USB Type-CTM接口，防止過壓沖擊接口針腳，VBUS線最大耐壓24V，CC線最大耐壓6V，還具有靜電放電防護(hù)等安全功能。TCPP代表了Type-C接口保護(hù)，同時(shí)TCPP01-M12可與內(nèi)置USB-C Power Delivery (UCPD)控制模塊的STM32 MCU配套使用。因此，微控制器STM32G0、STM32G4、STM32L5 或STM32U5均可以與TCPP01-M12搭配使用，并且比用大量的外部器件更劃算。TCPP01-M12 的獨(dú)到之處還在于，當(dāng)接口沒有連接任何設(shè)備時(shí)，其靜態(tài)電流為零。

TCPP01-M12: 保護(hù)USB-C的熱度

USB-C的崛起

▲The TCPP01-M12

媒體稱贊 2019 年是 USB-C應(yīng)用普及的關(guān)鍵之年。從那時(shí)起，USB-C連接器已經(jīng)開始滲透到科技行業(yè)的方方面面，甚至出現(xiàn)在我們最新款的調(diào)試探針STLINK-V3MINIE上。ST調(diào)試探針僅使用成熟的技術(shù)來接觸廣大人群并提供更高的可靠性。因此，USB-C 的出現(xiàn)在ST探針上具有高度的象征意義。此外，歐盟還發(fā)出強(qiáng)烈信號(hào)表示通用 USB-C充電器法規(guī)即將出臺(tái)。因此，設(shè)備廠商必須在他們的產(chǎn)品中配備USB-C接口。雖然法規(guī)適用的確切范圍尚不清楚，但歐洲內(nèi)部市場(chǎng)和消費(fèi)者保護(hù)委員會(huì)在關(guān)于此事的最新會(huì)議上建議擴(kuò)大該法規(guī)適用的產(chǎn)品類型。

USB-C附帶的新挑戰(zhàn)

USB-C的應(yīng)用帶來一系列新的挑戰(zhàn)。無法正確控制電壓的劣質(zhì)充電器越來越常見。如果受電設(shè)備(充電)只需要5V電壓，而質(zhì)量不好的電源產(chǎn)品(充電器)由于硬件或軟件缺陷，輸出電壓仍保持在20V，如果不做充分保護(hù)就充電可能會(huì)嚴(yán)重?zé)龎?VBUS 線。工程師還必須預(yù)防靜電放電或電氣過應(yīng)力。由于USB Type-C 連接器非常小，所以，必須防止CC 和 VBUS 線之間短路，否則會(huì)燒壞 USB 控制芯片。

雖然目前還沒有相關(guān)法規(guī)，歐盟圍繞USB-C展開的舉措也會(huì)影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)。盡管目前使用的還是非常傳統(tǒng)的電源配置參數(shù)，仍然有許多企業(yè)開始換用USB-C接口。許多設(shè)計(jì)先進(jìn)的USB-C產(chǎn)品從USB Power Delivery技術(shù)上受益，特別是在USB PD 3.1 版本協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，電壓處理能力高達(dá)48 V，電流處理達(dá)到5A。不過，在許多情況下，設(shè)計(jì)是在 5 V、3 A 傳統(tǒng)模式下用 USB-C，這種配置不需要輸電控制器，因?yàn)殡娫磁渲脜?shù)只需要一個(gè)下拉電阻。但是，這些設(shè)備同樣需要保護(hù)，因?yàn)榕c它們相連的產(chǎn)品可能送入更多的電能。因此，即使是傳統(tǒng)模式也需要堅(jiān)固的保護(hù)。

TCPP01-M12：實(shí)現(xiàn)USB-C保護(hù)

一個(gè)成本效益更高的 USB-C保護(hù)解決方案

▲All the protection and filters around MCUs

此前，保護(hù)電路都在 USB-C Power Delivery 控制器內(nèi)部。現(xiàn)在，我們把保護(hù)模塊嵌入MCU，并提供配套的 Type-C 端口保護(hù)芯片，降低了應(yīng)用的物料清單成本。因?yàn)椴辉傩枰嘿F的 USB-C PD ASIC 控制器，這種方法還促進(jìn)了micro-B 設(shè)備向Type-C的過渡。事實(shí)上，MCU和 TCPP01-M12 捆綁設(shè)計(jì)在成本上之所以這么吸引人，是因?yàn)樵摫Ｗo(hù)器件集成了 VBUS 柵極驅(qū)動(dòng)器，從而可以使用更經(jīng)濟(jì)的 N-MOSFET功率管，而無需用昂貴的P-MOSFET。此外，TCPP01-M12 已通過 USB-IF 認(rèn)證(測(cè)試 ID：5205)，這意味著遵循 ST 設(shè)計(jì)方法和代碼示例的團(tuán)隊(duì)將更快通過認(rèn)證。

一個(gè)能效更高的 USB-C保護(hù)解決方案

靈活的架構(gòu)是將 TCPP01-M12 與搭載 Power Delivery 控制器的微控制器配套使用的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。工程師可以將低壓 MCU控制域和高壓電源路徑分開，并獲得所需的保護(hù)功能。此外，QFN12 封裝可以讓TCPP01-M12 的安裝位置盡可能靠近 USB Type-C 連接器，為其提供最大程度的保護(hù)。該芯片支持可編程電源 (PPS)，這意味著受電設(shè)備從3.3V開始逐步提高充電電壓，每次可以請(qǐng)求提高電壓20 mV，直到電壓與電池的特性匹配為止，因此，做到了快速充電和保護(hù)系統(tǒng)兩不誤。

與競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，TCPP01-M12的低RDSon導(dǎo)通電阻和零靜態(tài)電流對(duì)整體能效產(chǎn)生積極的影響。靜態(tài)電流為零是因?yàn)樾酒瑥腗CU的GPIO引腳取電，而不是從內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器受電。因此，當(dāng)用戶拔出充電線時(shí)，TCPP01-M12 不消耗任何電能。對(duì)于想要制造有小電池的微型產(chǎn)品的公司來說，這一點(diǎn)尤其重要，但是，許多工程師可能低估了這個(gè)省電效果，當(dāng)產(chǎn)品只有一支筆大小時(shí)，每一微安都很重要。

入門板X-NUCLEO-SNK1M1

此前，開發(fā)USB-C PD應(yīng)用非常地費(fèi)時(shí)費(fèi)力。工程師必須讀500多頁的技術(shù)文檔，才能弄明白充電協(xié)議。開發(fā)團(tuán)隊(duì)幾乎是要從零開始。現(xiàn)在，ST所有的帶USB-C端口的新開發(fā)板都將集成TCPP01-M12芯片，這樣，設(shè)計(jì)人員就可以獲取我們的原理圖，拿到他們自己的設(shè)計(jì)中二次使用。我們還推出了 X-NUCLEO-SNK1M1 64針Nucleo擴(kuò)展板，板上集成TCPP01-M12 和一個(gè)負(fù)載開關(guān)，當(dāng)與NUCLEO-G071RB 或NUCLEO-G474RE開發(fā)板配合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大功率100 W的PPS USB-C Power Delivery受電端應(yīng)用。

工程師還可以將擴(kuò)展板與不帶USB Power Delivery 控制器的微控制器一起使用，開發(fā)一個(gè)傳統(tǒng)的充電應(yīng)用。NUCLEO-L552ZE-Q 和NUCLEO-U575ZI-Q是板載TCPP01-M12的開發(fā)板。該保護(hù)器件采用引腳間距500μm的QFN12 封裝，這是PCB 組裝常用參數(shù)，制造門檻比較低。對(duì)于希望使用Nucleo開發(fā)板、STM32CubeMX 和STM32CubeMonUCPD 開發(fā)產(chǎn)品原型的工程師，我們甚至還提供應(yīng)用筆記和入門指南。ST 還提供X-CUBE-TCPP軟件包，其中包含中間件和代碼示例。