深度剖析TSU8111：一款集成充電器的USB 2.0高速開(kāi)關(guān)芯片

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，USB接口的應(yīng)用無(wú)處不在，而如何高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)的切換以及電池充電功能，一直是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。今天，我們就來(lái)深入剖析德州儀器（TI）的TSU8111芯片，它是一款集成了線(xiàn)性充電器的雙單刀雙擲（SP2T）微USB開(kāi)關(guān)，為便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了出色的解決方案。

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1. 芯片概述

TSU8111專(zhuān)為便攜式設(shè)備（PD）通過(guò)微型USB連接器與外部外設(shè)進(jìn)行接口而設(shè)計(jì)。它具有以下顯著特點(diǎn)：

• 雙SP2T USB 2.0高速開(kāi)關(guān)：能夠?qū)崿F(xiàn)USB信號(hào)的靈活切換，支持UART或USB 2.0高速信號(hào)。
• 集成單節(jié)充電器：最大可編程充電電流可達(dá)950 mA，無(wú)需外部充電器IC，降低了成本和電路板空間。
• 多種檢測(cè)功能：可檢測(cè)符合BCv1.1標(biāo)準(zhǔn)的充電器以及使用ID電阻的附件。
• I2C接口控制：支持自動(dòng)檢測(cè)和手動(dòng)控制兩種模式，方便用戶(hù)根據(jù)需求進(jìn)行配置。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

TSU8111適用于多種便攜式設(shè)備，如手機(jī)、上網(wǎng)本、筆記本電腦、平板電腦和便攜式手持設(shè)備等。在這些設(shè)備中，它可以實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)的切換、附件檢測(cè)、充電器檢測(cè)以及電池充電等功能，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供了有力保障。

3. 詳細(xì)特性分析

3.1 線(xiàn)性充電器

TSU8111的線(xiàn)性充電器具有充電電流可調(diào)節(jié)的功能，范圍從200 mA到950 mA。其充電過(guò)程如下：

• 預(yù)充電模式：當(dāng)電池電壓$V{BAT}$低于預(yù)充電閾值$V{PRECHG}$（2.5 V）時(shí)，設(shè)備以90 mA的充電電流進(jìn)行預(yù)充電。
• 快速充電模式：當(dāng)$V{BAT}$達(dá)到$V{PRECHG}$后，設(shè)備切換到快速充電模式，并采用軟啟動(dòng)方式。
• 恒壓充電模式：當(dāng)$V{BAT}$接近設(shè)定電壓$V{SET}$時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓充電模式，以編程的調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行充電。
• 充滿(mǎn)檢測(cè)：當(dāng)充電電流達(dá)到編程的滿(mǎn)充電流時(shí)，TSU8111會(huì)向主機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，表示電池已充滿(mǎn)，并啟動(dòng)充電器關(guān)閉定時(shí)器。

3.2 電壓保護(hù)

• 過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)$V{BUS}$超過(guò)過(guò)壓保護(hù)閾值$V{BUS(OVP)}$時(shí)，線(xiàn)性充電器關(guān)閉，切斷電路電源。當(dāng)輸入電壓回到$V{BUS(OVP)}-V{BUS(OVP(hys)}$以下且高于$V_{BUS(UVLO)}$時(shí)，充電器重新開(kāi)啟。
• 欠壓保護(hù)：當(dāng)$V{BUS}$和$V{BAT}$低于欠壓保護(hù)閾值時(shí)，TSU8111關(guān)機(jī)。只有當(dāng)$V{BAT}$高于2.5 V且$V{BUS}>3.7 V$，$V{BUS}-V{BAT}>250 mV$時(shí)，設(shè)備和充電器才會(huì)開(kāi)啟。

3.3 電源復(fù)位

• 上電復(fù)位：當(dāng)$V{BAT}$上電時(shí)，內(nèi)部上電復(fù)位將TSU8111置于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)$V{BAT}$達(dá)到$V_{POR}$時(shí)，$I^{2}C$寄存器和狀態(tài)機(jī)初始化到默認(rèn)狀態(tài)。
• 軟件復(fù)位：通過(guò)將SDA和SCL保持低電平至少30 ms，然后向寄存器1Bh的第0位寫(xiě)入1，可實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。

3.4 設(shè)備功能模式

• 待機(jī)模式：上電后的默認(rèn)模式，當(dāng)沒(méi)有附件連接時(shí)，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，VBUS和ID線(xiàn)通過(guò)比較器持續(xù)監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)附件的連接。
• 自動(dòng)切換模式：TSU8111通過(guò)檢測(cè)ID引腳的電阻值來(lái)確定附件類(lèi)型，并自動(dòng)切換USB開(kāi)關(guān)矩陣。具體的附件類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可參考附件和充電器檢測(cè)查找表。
• 手動(dòng)切換模式：通過(guò)將寄存器02h的第2位寫(xiě)為0，可啟用手動(dòng)切換模式。此時(shí)，DP和DM的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可通過(guò)向寄存器13h [7:2]寫(xiě)入數(shù)據(jù)來(lái)控制。

4. 編程與寄存器配置

TSU8111通過(guò)雙向$I^{2}C$總線(xiàn)進(jìn)行通信，通信過(guò)程包括起始條件、設(shè)備地址發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸和停止條件。在編程時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 寫(xiě)入操作：發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯0，然后發(fā)送命令字節(jié)，確定要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的寄存器。
• 讀取操作：先發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯0，確定要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器；然后重新發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯1，讀取寄存器中的數(shù)據(jù)。

芯片的寄存器映射包含多個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器的不同位具有不同的功能。例如，控制寄存器（02h）可用于設(shè)置開(kāi)關(guān)模式、數(shù)據(jù)讀取方式和中斷掩碼等；中斷寄存器（03h和04h）可用于檢測(cè)各種事件，如VBUS檢測(cè)、過(guò)壓檢測(cè)和附件連接/斷開(kāi)等。

5. 設(shè)計(jì)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)

TSU8111有三個(gè)電源輸入引腳：VBAT、VBUS和VDDIO。每個(gè)引腳都需要適當(dāng)?shù)娜ヱ?a href="http://www.3532n.com/tags/電容/" target="_blank">電容來(lái)平滑電壓噪聲。具體來(lái)說(shuō)，VBAT和VBUS引腳需要0.1 μF和1 μF - 10 μF的去耦電容，VLDO引腳需要1 μF的負(fù)載電容。

5.2 布局準(zhǔn)則

• 靠近USB連接器：將TSU8111盡可能靠近USB連接器，以減少雜散噪聲的影響。
• 去耦電容靠近芯片：去耦電容應(yīng)盡可能靠近芯片，以降低ESR和紋波的影響。
• 控制走線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度：所有走線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)小于2英寸，USB走線(xiàn)寬度對(duì)于1 oz銅厚度至少為15 mils。
• 優(yōu)化過(guò)孔使用：在VBUS、VBAT和GND上增加過(guò)孔數(shù)量，以降低布線(xiàn)電阻和提高熱性能；減少USB走線(xiàn)的過(guò)孔使用，以保持USB信號(hào)完整性。
• 匹配阻抗：所有USB走線(xiàn)應(yīng)具有45 Ω的單端阻抗和90 Ω的差分阻抗，以滿(mǎn)足USB 2.0的要求。

6. 總結(jié)

TSU8111是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的USB開(kāi)關(guān)芯片，它集成了線(xiàn)性充電器，為便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一站式解決方案。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布局，工程師可以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的USB信號(hào)切換和電池充電功能。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，對(duì)芯片的參數(shù)和配置進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的性能表現(xiàn)。

你在使用TSU8111芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者你對(duì)芯片的某個(gè)特性有更深入的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。