45W单端口AC/DC方案介绍

第三部分

45W 单端口交直流变换器

前面提到 USB Type-C 生态系统

包含了形形色色不同的应用

比如说便携机, 配套的拓展坞

监视器，平板电脑等等

下面我们的讨论仅限于墙充或者

AC/DC 适配器这样的供电设备

USB Type-C 和功率传递作为

公开的标准被广泛采用

一个明显的好处是说

它是用来实现适配器通用化

减少电子污染的一个切实可行的一个途径

右图是一个 IT 部门的照片

为了测试不同的型号的电脑和设备

墙上挂满了不同的接口,不同规格的适配器

我们可以想象通过 USB 和 Power Delivery

整个墙上只需要一个适配器就可以了

联合国统计每年都有30万吨的电子废物

来充斥我们的地球

通过新的标准接口可以帮助

我们减少能源消耗和碳排量

首先我们来看一下 45W 单端口

AC/DC 的解决方案

这个应用里面采用了 USB Type-C 的插座

应用场合比如说像墙充

这是简化的系统框图

它包含了一个反激变换器

一个 PD 控制器以及受控的电源通道

PD 控制器进行 USB PD 的握手

并且控制反激线路的输出电压

比如说 5V,9V 或者是 15V

它还控制 VBUS 通道上的开关

我们下面会以德州仪器 TPS25740A

作为例子来进行详细地讨论

那在 VBUS 的通道上

我们需要一个背靠背的 MOSFET

一方面反激的输出

它有大的输出电容

USB Type-C 要求储能电容与插座端的

VBUS 隔开来限制插拔时大的冲击电流

流到我们的储能电容上面

另一方面和传统的 USB 不同的是

USB Type-C 在空接的时候

需要使得 VBUS 的电压降到 0V

因此我们需要控制 MOSFET 的

关断来隔断 VBUS

并且把输出电压降为 0V

这里反激变换器

它仍然需要输出电压给到 PD 进行供电

大家可以参考的 TI 的方案有

PMP4486, PMP20211, PMP11451 等等

可以在 TI 的官网上搜索到

这张图里显示了专用电缆的适配器的

一个电源参考设计

那它具有固定的 Type-C 的接口

比如很多便携机类似的设备

在这种情况下面

它不可能发生外设对该设备进行充电的可能

因为没有转换线可以连接

Type-C 的插头到 Type-A 的插座上面去

我们也就没有必要去考虑 VBUS

和储能电容之间的隔离了

因此我们只需要一颗 MOSFET

来确保正确的输出电压

并且在空接的情况下面把输出电压降到 0V

下面我们来看一下 45W 单端口方案

更为详细的设计介绍

这里采用了 TPS25740 作为 PD 控制器

AC/DC 反激变换器

采用了准谐振控制谷底开通的 UCC28740

它可以获得较高的效率曲线以及

小于 30mW 的待机功耗

那 TPS25740 通过控制

CTL1,CTL2 引脚为低

或者是开路的状态来控制

我们的输出反馈电压的分压比

从而来控制我们的

UCC28740 的占空比来实现输出电压的调节

下面我们用一个实例给大家做一个演示

这个图示里显示了 CC2/CC1

配置通道的波形以及我们的

VBUS 输出电压波形

那 TPS25741 评估板作为适配器端

当没有任何设备连接的时候

TPS25741 处于空载状态

它把输出的 CC2/CC1 拉到了5V电压

在 t1 时刻，我们的评估板

插上了苹果的 MacBook

它的 CC 线通过电缆线连到了

我们评估板的 CC2 引脚

因此可以看到 CC2 的电压从高于4V的

电压拉到了0.4V

另一个 CC 引脚仍然是

被拉高处于高电平的状态

但是它由于不再处于轻载的状态

所以电压有一些轻微的跌落

在 t1 开始以后 TPS25741

通过 CC 上的信号进行有效负载的接入

这里判断时间大概经过了 185ms 时间

也就是 t1 和 t2 的时刻

在 t2 时刻判断完成输出电压开始

提供 5V 的电压给到 VBUS 和 VCONN

所以我们可以看到 VBUS 和

VCONN 的电压上升到了 5V

接下来大概 200ms 的时间在 t3 时刻

AC/DC 适配器开始广播 3A 的电流

因此我们可以看到 CC2 的电压

从 0.4V 抬到了 1.6V

并且保持了一段时间

这是适配器告诉负载 MacBook 说

它可以在 5V 输出的情况下面

提供 3A 最大的电流

如果我们可以看得再仔细一些

我们可以看到 CC 上这些的噪声

把它展开来可以看到它是一些高频的信号

这些是 USB PD 的协议信息

这些信息说明适配器同时在 告诉

MacBook 说它能够输出哪些种的电压

或者是在不同的电流情况下面

能够输出更高的电压

对于 MacBook 来说

它会把这些信息进行响应

也就是进行握手

通过协商以后

它们两端同意把 12V 电压作为新的供电电压

因此在 t4 时刻适配器

把输出电压抬到了12V

与此同时它把广播的电流降到了 1.5A

因此我们可以看到 CC 线上

电压降到了 0.8V

因此我们从 t1 到 t4 时刻

适配器和 MacBook 之间完成了插入检测

电压电流的协商握手

以及建立最终的协商的电压和功率

前面我们提到

我们通过 USB Type-C 的设计

我们的目标是期望只用一个

Type-C 的连接器来连接所有的设备

因此我们必须定义一系列的规则

使得无论什么样的设备接入

都可以确保没有错误发生

甚至损害我们的设备

那其中非常重要的要求之一

就是对于电压瞬变的要求

下面两个图例是从 USB PD 的

规范里直接截屏过来的

这些波形显示的电压在切换的时候

它所允许的上限，下限

过充，跌落等以及摆率的要求

以输出电压上升为例

这里是起始电压

它在初始时允许很小的电压跌落

也就是 0.5V 的电压跌落

然后必须单调地上升到新的电压的范围

同样在新的电压它允许 0.5V 的过充

然后落在新电压的正负5%的调整范围内

调整的摆率必须小于 30mV/μS

然后在 275ms 时间内它必须得摆定

在 285ms 的时间内

能够稳定提供满载的电流

同样地当输出电压从高往低调的

时候也有同样的要求

在我们的 TPS25740 45W AC/DC 的

适配器中采用了一个外置的 MOSFET

我们可以看到这里加了 RC 的阻容器件

那通过调整阻容器件的参数值

我们可以控制 MOSFET 的门极的电流

从而来控制输出电压变化的摆率

所以客户可以根据需求进行灵活的配置

下面我们再举一个例子来说明

当错误发生的情况下面系统所做的防护

这是 TPS25740 通过 CTL 引脚来改变

输出的反馈电压分压比

从而改变输出的电压和线路

那在错误的情况下面

或者是一些极端的场合

这个反馈节点有可能会被短路

从而使得我们的反激线路的

输出电压变得非常地高

在这种情况下面

我们必须很快地关断通道中的 MOSFET

使得反激输出的高压

不会产生在 VBUS 输出上面

下面这个波形显示了整个保护的过程

大家可以看到在刚开始插入的时候

输出电压为0

当我们开始上电的时候

输出电压 VBUS 会非常快地上升

已触发到我们的 OVP 的保护点

在这个情况下面，TPS25740 迅速地

把通道中的 FET 关断

来防止 VBUS 电压继续上升

它会不断的在 800ms 时间后

进行第二次的尝试直到上电成功

这样我们通过 TPS25740 的设计

使得我们的 VBUS 和

反激的输出电压隔离开

从而保护 VBUS 电压

在错误的情况下面不会产生不该出现的高压

这节我们用 UCC28740 和 TPS25740 为例

做了一个 45W 单端口的适配器的设计

并且介绍了上电握手的过程

瞬变要求以及 OVP 的保护

谢谢大家

第三部分

45W 单端口交直流变换器

前面提到 USB Type-C 生态系统

包含了形形色色不同的应用

比如说便携机, 配套的拓展坞

监视器，平板电脑等等

下面我们的讨论仅限于墙充或者

AC/DC 适配器这样的供电设备

USB Type-C 和功率传递作为

公开的标准被广泛采用

一个明显的好处是说

它是用来实现适配器通用化

减少电子污染的一个切实可行的一个途径

右图是一个 IT 部门的照片

为了测试不同的型号的电脑和设备

墙上挂满了不同的接口,不同规格的适配器

我们可以想象通过 USB 和 Power Delivery

整个墙上只需要一个适配器就可以了

联合国统计每年都有30万吨的电子废物

来充斥我们的地球

通过新的标准接口可以帮助

我们减少能源消耗和碳排量

首先我们来看一下 45W 单端口

AC/DC 的解决方案

这个应用里面采用了 USB Type-C 的插座

应用场合比如说像墙充

这是简化的系统框图

它包含了一个反激变换器

一个 PD 控制器以及受控的电源通道

PD 控制器进行 USB PD 的握手

并且控制反激线路的输出电压

比如说 5V,9V 或者是 15V

它还控制 VBUS 通道上的开关

我们下面会以德州仪器 TPS25740A

作为例子来进行详细地讨论

那在 VBUS 的通道上

我们需要一个背靠背的 MOSFET

一方面反激的输出

它有大的输出电容

USB Type-C 要求储能电容与插座端的

VBUS 隔开来限制插拔时大的冲击电流

流到我们的储能电容上面

另一方面和传统的 USB 不同的是

USB Type-C 在空接的时候

需要使得 VBUS 的电压降到 0V

因此我们需要控制 MOSFET 的

关断来隔断 VBUS

并且把输出电压降为 0V

这里反激变换器

它仍然需要输出电压给到 PD 进行供电

大家可以参考的 TI 的方案有

PMP4486, PMP20211, PMP11451 等等

可以在 TI 的官网上搜索到

这张图里显示了专用电缆的适配器的

一个电源参考设计

那它具有固定的 Type-C 的接口

比如很多便携机类似的设备

在这种情况下面

它不可能发生外设对该设备进行充电的可能

因为没有转换线可以连接

Type-C 的插头到 Type-A 的插座上面去

我们也就没有必要去考虑 VBUS

和储能电容之间的隔离了

因此我们只需要一颗 MOSFET

来确保正确的输出电压

并且在空接的情况下面把输出电压降到 0V

下面我们来看一下 45W 单端口方案

更为详细的设计介绍

这里采用了 TPS25740 作为 PD 控制器

AC/DC 反激变换器

采用了准谐振控制谷底开通的 UCC28740

它可以获得较高的效率曲线以及

小于 30mW 的待机功耗

那 TPS25740 通过控制

CTL1,CTL2 引脚为低

或者是开路的状态来控制

我们的输出反馈电压的分压比

从而来控制我们的

UCC28740 的占空比来实现输出电压的调节

下面我们用一个实例给大家做一个演示

这个图示里显示了 CC2/CC1

配置通道的波形以及我们的

VBUS 输出电压波形

那 TPS25741 评估板作为适配器端

当没有任何设备连接的时候

TPS25741 处于空载状态

它把输出的 CC2/CC1 拉到了5V电压

在 t1 时刻，我们的评估板

插上了苹果的 MacBook

它的 CC 线通过电缆线连到了

我们评估板的 CC2 引脚

因此可以看到 CC2 的电压从高于4V的

电压拉到了0.4V

另一个 CC 引脚仍然是

被拉高处于高电平的状态

但是它由于不再处于轻载的状态

所以电压有一些轻微的跌落

在 t1 开始以后 TPS25741

通过 CC 上的信号进行有效负载的接入

这里判断时间大概经过了 185ms 时间

也就是 t1 和 t2 的时刻

在 t2 时刻判断完成输出电压开始

提供 5V 的电压给到 VBUS 和 VCONN

所以我们可以看到 VBUS 和

VCONN 的电压上升到了 5V

接下来大概 200ms 的时间在 t3 时刻

AC/DC 适配器开始广播 3A 的电流

因此我们可以看到 CC2 的电压

从 0.4V 抬到了 1.6V

并且保持了一段时间

这是适配器告诉负载 MacBook 说

它可以在 5V 输出的情况下面

提供 3A 最大的电流

如果我们可以看得再仔细一些

我们可以看到 CC 上这些的噪声

把它展开来可以看到它是一些高频的信号

这些是 USB PD 的协议信息

这些信息说明适配器同时在 告诉

MacBook 说它能够输出哪些种的电压

或者是在不同的电流情况下面

能够输出更高的电压

对于 MacBook 来说

它会把这些信息进行响应

也就是进行握手

通过协商以后

它们两端同意把 12V 电压作为新的供电电压

因此在 t4 时刻适配器

把输出电压抬到了12V

与此同时它把广播的电流降到了 1.5A

因此我们可以看到 CC 线上

电压降到了 0.8V

因此我们从 t1 到 t4 时刻

适配器和 MacBook 之间完成了插入检测

电压电流的协商握手

以及建立最终的协商的电压和功率

前面我们提到

我们通过 USB Type-C 的设计

我们的目标是期望只用一个

Type-C 的连接器来连接所有的设备

因此我们必须定义一系列的规则

使得无论什么样的设备接入

都可以确保没有错误发生

甚至损害我们的设备

那其中非常重要的要求之一

就是对于电压瞬变的要求

下面两个图例是从 USB PD 的

规范里直接截屏过来的

这些波形显示的电压在切换的时候

它所允许的上限，下限

过充，跌落等以及摆率的要求

以输出电压上升为例

这里是起始电压

它在初始时允许很小的电压跌落

也就是 0.5V 的电压跌落

然后必须单调地上升到新的电压的范围

同样在新的电压它允许 0.5V 的过充

然后落在新电压的正负5%的调整范围内

调整的摆率必须小于 30mV/μS

然后在 275ms 时间内它必须得摆定

在 285ms 的时间内

能够稳定提供满载的电流

同样地当输出电压从高往低调的

时候也有同样的要求

在我们的 TPS25740 45W AC/DC 的

适配器中采用了一个外置的 MOSFET

我们可以看到这里加了 RC 的阻容器件

那通过调整阻容器件的参数值

我们可以控制 MOSFET 的门极的电流

从而来控制输出电压变化的摆率

所以客户可以根据需求进行灵活的配置

下面我们再举一个例子来说明

当错误发生的情况下面系统所做的防护

这是 TPS25740 通过 CTL 引脚来改变

输出的反馈电压分压比

从而改变输出的电压和线路

那在错误的情况下面

或者是一些极端的场合

这个反馈节点有可能会被短路

从而使得我们的反激线路的

输出电压变得非常地高

在这种情况下面

我们必须很快地关断通道中的 MOSFET

使得反激输出的高压

不会产生在 VBUS 输出上面

下面这个波形显示了整个保护的过程

大家可以看到在刚开始插入的时候

输出电压为0

当我们开始上电的时候

输出电压 VBUS 会非常快地上升

已触发到我们的 OVP 的保护点

在这个情况下面，TPS25740 迅速地

把通道中的 FET 关断

来防止 VBUS 电压继续上升

它会不断的在 800ms 时间后

进行第二次的尝试直到上电成功

这样我们通过 TPS25740 的设计

使得我们的 VBUS 和

反激的输出电压隔离开

从而保护 VBUS 电压

在错误的情况下面不会产生不该出现的高压

这节我们用 UCC28740 和 TPS25740 为例

做了一个 45W 单端口的适配器的设计

并且介绍了上电握手的过程

瞬变要求以及 OVP 的保护

谢谢大家