TPS25820/21：USB Type-C源控制器的卓越選擇

引言

在當今的電子設備領域，USB Type-C接口憑借其強大的功能和便捷性，已經成為了主流的連接方式。為了更好地支持USB Type-C接口的應用，德州儀器（TI）推出了TPS25820和TPS25821這兩款高度集成的USB Type-C源控制器。本文將深入探討這兩款控制器的特性、應用以及設計要點，希望能為電子工程師們在實際設計中提供有價值的參考。

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產品概述

TPS25820和TPS25821是專為USB Type-C連接器和電纜開發的高度集成的USB Type-C源控制器，內置了用于 $V{BUS}$ 的電源開關。其中，TPS25820還具備用于 $V{CONN}$ 的集成電源開關，而TPS25821則適用于不需要 $V{CONN}$ 功能的場景，如USB 2.0 DFP端口或僅作為USB源端口使用。這兩款器件均符合USB Type-C規范版本1.3，能夠在不支持USB電源傳輸（PD）源功能（例如 $V{BUS}>5V$ ）的系統中，為USB Type-C DFP提供全面的支持。

特性亮點

1. 兼容性與連接檢測

• USB Type-C兼容性：完全兼容USB Type-C Rel. 1.3規范，確保了與各種符合該標準的設備的良好互操作性。
• 連接檢測功能：通過監測Type-C配置通道（CC）線路，能夠準確檢測USB接收裝置的連接和斷開狀態。當檢測到接收裝置連接時，會向 $V{BUS}$ 供電，并將可選的 $V{BUS}$ 拉電流能力通過直通CC線路傳達給接收器。對于TPS25820，在使用電子標記電纜連接接收裝置時，還會將 $CONN$ 電源施加于電纜 $CONN$ 引腳。

2. 電流通告與保護

• 電流通告性能：支持USB Type-C標準定義的兩種電流通告方式，通過CHG引腳控制向連接的Sink廣播的電流能力。
• 過載保護機制：當Sink吸取的電流超過端口的USB Type-C電流通告值時，內部電流限制調節器會自動限制OUT引腳的輸出電流，確保器件的安全運行。

3. 極性確定與低功耗

• 超高速極性確定：能夠快速準確地確定Type-C連接器的極性，確保數據和電源的正確傳輸。
• 低功耗特性：在不附加任何器件時，Type-C連接器的工作電流僅為1.0μA（典型值），有效降低了系統的功耗。

4. 靜電放電（ESD）保護

CC1和CC2引腳具備±8kV接觸放電以及±15kV空氣放電的ESD額定值（IEC - 61000 - 4 - 2），為器件提供了可靠的ESD保護，增強了系統的穩定性和可靠性。

5. 熱保護功能

內置兩個內部過溫關斷閾值 $T{TH _ OTSD1}$ 和 $T{TH _ OTSD2}$，當器件溫度超過閾值時，會自動采取相應的保護措施，如關閉電流限制中的開關或禁用整個器件，以保護內部FET免受損壞，確保系統的整體安全。

應用場景

1. 筆記本電腦、臺式計算機和平板電腦

為這些設備的USB Type-C端口提供穩定的電源控制和連接檢測功能，確保設備與外部設備之間的可靠通信和充電。

2. LCD監視器、擴展塢和充電托板

實現對USB Type-C接口的高效管理，支持多設備連接和充電，提升用戶體驗。

3. Type-C USB墻壁充電器、移動電源和CLA

在充電設備中，能夠準確控制輸出電流，提供安全可靠的充電功能，同時支持與各種支持USB Type-C的設備兼容。

4. 機頂盒和音頻/視頻系統

為這些系統的USB Type-C接口提供必要的電源和數據管理，確保設備之間的正常連接和數據傳輸。

設計要點

1. 電容選擇與布局

• 輸入電容：為了減少輸入電壓的過沖和下垂，建議在IN和GND之間靠近器件處放置一個0.1μF或更大的陶瓷旁路電容。對于輸入電感較大的應用，可能需要更大的輸入電容來防止電壓過沖超過器件的絕對最大電壓。
• 輸出電容：由于Type-C接口在未連接Sink時被視為冷插拔，因此建議將輸出電容放置在IN引腳而不是OUT引腳。同時，在OUT引腳放置一個小于10μF的陶瓷電容，以實現更好的電壓旁路和符合Type-C規范。

2. 系統級ESD保護

系統級ESD可能會在插拔電纜或用戶觸摸USB接口時發生。OUT引腳上的推薦電容有助于降低ESD對 $V_{BUS}$ 路徑的影響，保護器件的OUT引腳。此外，CC1和CC2引腳內置了ESD保護，只要遵循正確的走線布局指南，就無需額外的外部保護。

3. 電阻選擇與連接

• REF引腳電阻：在REF和GND引腳之間連接一個±0.5%的100kΩ電阻，該電阻的精度會影響過載電流限制公差和CC電流，因此選擇高精度電阻有助于提高電流限制精度和器件的整體性能。
• 上拉電阻：對于開放漏極輸出的上拉電阻，建議使用100kΩ的電阻，并將其靠近連接引腳放置。當某個開放漏極輸出在系統中不需要使用時，可以將其引腳留空或接地。

4. 電源供應

USB規范要求連接器處的 $V_{BUS}$ 電壓在4.75V至5.5V之間，因此輸入電源應靠近器件放置，以減少電壓降。同時，電源的額定電流應高于設定的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現電壓下垂。

典型應用案例

1. 無BC 1.2支持的Type-C源端口實現

圖12展示了一個能夠支持5V和1.5A充電的最小Type-C源實現方案。該方案通過合理選擇電容和電阻，確保了系統的穩定性和兼容性。

2. 支持BC 1.2（DCP模式）的Type-C源端口實現

雖然TPS25820/21本身不支持BC1.2充電模式，但通過將D+和D - 引腳短路（最大阻抗為200Ω）并浮空接地，可以實現BC1.2 DCP模式的支持。這種方式適用于需要為傳統設備充電的場景，如墻壁充電器和汽車充電器。

3. USB 3.1 Type-C充電端口實現

在USB 3.1 Type-C充電端口的實現中，TPS25820可以通過POL引腳控制超高速數據MUX，確保數據的正確傳輸，同時提供穩定的電源供應。

4. TPS25821在USB汽車充電器中的應用

由于TPS25821具有小尺寸、高度集成和超低待機電流的特點，非常適合用于汽車點煙器適配器（CLA）USB汽車充電器，能夠支持Type-C 1.5A和BC1.2 DCP充電，滿足快速充電的需求。

總結

TPS25820和TPS25821作為USB Type-C源控制器的優秀代表，憑借其豐富的特性、廣泛的應用場景和合理的設計要點，為電子工程師們提供了一個可靠的解決方案。在實際設計中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇器件和配置參數，同時遵循布局和布線的最佳實踐，以確保系統的性能和可靠性。希望本文能夠幫助工程師們更好地理解和應用這兩款器件，為USB Type-C接口的設計帶來更多的便利和創新。

你在使用這兩款器件進行設計時，是否遇到過一些獨特的挑戰？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。