USB PD應用中的安全設計

USB type-c和USB PD的應用可以說(shuō)才剛剛開(kāi)始，現在就談它的安全問(wèn)題似乎有點(diǎn)多余，因為多數人都還沒(méi)有遇到，不會(huì )把這個(gè)問(wèn)題放在心上，但對真正的業(yè)內人士來(lái)說(shuō)，這絕不是一個(gè)毫無(wú)意義的話(huà)題。

相比過(guò)去的USB應用來(lái)說(shuō)，USB type-c接口和USB PD協(xié)議顯然要復雜得多，能力也強得多，其實(shí)現形式也多種多樣，這就帶來(lái)不同產(chǎn)品之間的兼容性問(wèn)題。2015年，相關(guān)組織和企業(yè)在美國進(jìn)行了一次所謂的“插拔大會(huì )”，會(huì )上把各家帶來(lái)的產(chǎn)品放在一起進(jìn)行相互的插拔試驗以檢驗其兼容能力，結果在離開(kāi)的時(shí)候只有三家公司的6個(gè)樣品還活著(zhù)，其他的樣品都在插拔過(guò)程中死掉了，這就給眾多的參與者提了一個(gè)醒，在參與這樣的應用時(shí)應該把安全放在第一位，否則，即使你的產(chǎn)品功能再好，一樣會(huì )在使用中很快死掉，最終也會(huì )退出市場(chǎng)，甚至可能讓你賠得傾家蕩產(chǎn)。

USB PD的應用給使用USB type-c接口的應用帶來(lái)了一個(gè)很大的變化，就是其接口上傳遞的電源電壓可以高達20V，電流可高達5A，最多可以傳送100W的功率給受電端使用，大大拓展了USB接口的應用范圍。但是，USB type-c接口上的VBUS和CC端之間的距離太近了，它們實(shí)際上就緊靠在一起，如下圖所示：

這是USB Type-C插座的腳位分布圖，其中的VBUS就是最高電壓達20V（現在已經(jīng)擴展到21V）的承載端。CC1和CC2都是CC的備選端，其選中與否由插頭插入的方向決定，被選中者作為CC使用，成為設備與電纜及另一設備通訊交流的渠道，其信號的最高電壓為5V，剩下的另一個(gè)端子就成為VCONN端，供電端借此端子向電纜的內部電路供電。

由于CC上的最高電壓為5V，很多接口器件就會(huì )采用比5V工作電壓稍高的設計和制程來(lái)制作，一旦VBUS和它短路，高電壓就會(huì )進(jìn)入該端子，對內部電路造成不可恢復的損傷，從而造成設備故障。下面這幅圖算是對這個(gè)問(wèn)題的形象化描述：

一個(gè)標準的USB Type-C接口控制器是非常簡(jiǎn)單的，它要做的事情基本上就是用上拉電阻標識本端口所在的設備為供電端、用下拉電阻標識本端口所在的設備為受電端、為電纜提供VCONN電源、識別電流供應/通過(guò)能力、確定電纜連接關(guān)系以及在完成接入識別以后開(kāi)啟VBUS通道等，由于不涉及提高VBUS電壓，VBUS上的電壓最多就是5V，所以采用低壓制程是完全可以的，其電路聯(lián)通以后的模型大致示意如下：

下面是它們的具體實(shí)現示意圖：

這是供電端的，

這是受電端的。如果一臺設備既可以做供電端，又可以做受電端，則其電路模型就是這樣的了：

這種設備可以擔任兩種角色，實(shí)用中具體采用哪一種需要雙方進(jìn)行協(xié)商或是人工進(jìn)行選擇，這就要進(jìn)行通訊，通訊是經(jīng)由CC通道完成的，其上傳遞的信息以BMC雙相編碼的方式進(jìn)行，雙方溝通的語(yǔ)言就是USB PD規范所定義的協(xié)議了。

借助USB PD協(xié)議，供需雙方不僅可以商定各自的角色，也可以商定實(shí)際需要的電壓和電流的大小，因而為實(shí)際的應用提供了巨大的方便，但也帶來(lái)了隱患：如果VBUS電壓已經(jīng)提高了而CC端的耐壓電壓只比5V高一點(diǎn)點(diǎn)，一旦兩者之間發(fā)生短路，損害的出現就是自然的了。

為了避免CC端因為和VBUS短路而造成損害，立锜科技的所有USB Type-C接口控制器和其它集成了該部件的器件都采用了高壓工藝來(lái)提高CC端的耐壓，它們全部可以承受20V以上的電壓沖擊。下面的波形圖展示了CC在工作過(guò)程中和20V VBUS發(fā)生短路的情形，由于CC端具有20V以上的耐受能力，短路狀況消除以后，信號又回到了正常狀態(tài)：

CC端為什么會(huì )和VBUS短路呢？除了上面提到的兩者相臨以外，這些因素也是需要考慮到的：使用者可能隨意地插拔、扭動(dòng)接插件，有的人甚至可能是用很粗魯的方式來(lái)對待它們，這都很容易直接造成短路事故或是破損，這種情形在接插件和電纜老化以后就更容易發(fā)生，因而是必須提早進(jìn)行防范的。下圖所示資料就說(shuō)明了立锜產(chǎn)品的防護能力：

在一個(gè)實(shí)際的系統中，通常不會(huì )只是存在我們已經(jīng)談及的電路部分，MCU的存在幾乎是必然的事情，實(shí)際上USB PD的應用策略通常都是由它來(lái)制定的。如果MCU在發(fā)出指令使USB Type-C接口輸出20V的電壓以后的某個(gè)時(shí)刻就死掉了，事情將會(huì )如何發(fā)展？這種情形你在使用電腦的時(shí)候一定遇到過(guò)，這不就是“宕機”嗎？

一種很合理的推測是你的受電端可能在這個(gè)時(shí)候發(fā)生變化，例如它只需要一個(gè)5V的電壓了，這既可能發(fā)生在一臺設備的內部，也可能發(fā)生在設備更換的時(shí)候，而處理電源輸入的電路可能就只能接受5V電壓，20V的電壓一定會(huì )讓它死掉，所以這個(gè)“宕機”的狀況很可能是一個(gè)災難的開(kāi)始。

對于這種問(wèn)題，立锜的USB Type-C/PD控制器是這樣預防的：它定時(shí)向MCU發(fā)送中斷信號，MCU在正常情況下就會(huì )去響應此中斷，例如它會(huì )詢(xún)問(wèn)這控制器“你有什么事??？”，這一問(wèn)好了，USB Type-C/PD控制器知道MCU還活著(zhù)，它就回答說(shuō)“啊啊，沒(méi)事啊，我就是給你打個(gè)招呼問(wèn)個(gè)好”之類(lèi)的，然后繼續工作下去。如果MCU長(cháng)時(shí)間不理會(huì )它，比如像下圖所示的200ms了還不響應，控制器就主動(dòng)斷掉輸出，把自身的狀態(tài)改變成受電端的狀態(tài)，同時(shí)把輸出端的儲能主動(dòng)釋放掉使電壓降下來(lái)，使得任何設備接上去都是安全的，這樣就避免了系統“宕機”可能帶來(lái)的災難性影響。

USB PD的應用將USB總線(xiàn)的供電能力提高到了100W，如果在這種情況下出現VBUS和GND的短路，可能帶來(lái)的危險也是很大的，立锜的應用方案又是如何破解此問(wèn)題的呢？下面的應用電路可以看到我們的做法：

這個(gè)電路的核心是RT1711P，是一款通過(guò)USB-IF認證的單端口控制器，其主要特性如下圖所示：

我相信很少有人會(huì )在這里去看一款產(chǎn)品的詳細信息，所以不想花時(shí)間去把里面的英文變成中文，有需要的請再給我信息，我用另外的方法來(lái)滿(mǎn)足你。

在上面的原理圖中，RT1711P的EN端的狀態(tài)是與VBUS的狀態(tài)有關(guān)的，當VBUS與GND短路時(shí)，EN端將變成低電平，這將使RT1711P復位成為SINK狀態(tài)，也就是受電端的狀態(tài)，同時(shí)VBUS路徑開(kāi)關(guān)會(huì )關(guān)閉，確保短路狀況不會(huì )再造成任何危害。下圖是對此電路的更清晰描述：

實(shí)際上，在VBUS和GND發(fā)生短路的那一刻，為之供電的DC/DC會(huì )遇到負載突然加大的問(wèn)題，其OCP功能會(huì )開(kāi)始運作，由于電壓降低而帶來(lái)的UVP功能也會(huì )啟動(dòng)，而電流的增長(cháng)也會(huì )讓RT1711P本身的OCP功能被觸發(fā)，但此短路現象又會(huì )造成RT1711P本身的復位過(guò)程，到底哪一個(gè)先起作用，就看實(shí)際的過(guò)程是怎樣的了。了解了這一切以后，對于VBUS和GND的短路現象應該就可以放心了，不會(huì )有什么東西會(huì )造成損壞。

相對而言，RT1711P是一個(gè)中等規模的USB Type-C/PD控制器，可以用在單USB接口的應用中，此端口既可以作為DFP（下行端口），也可作為UFP（上行端口），也可以是雙重角色的端口（DRP）。如果你要設計的系統很簡(jiǎn)單，你也可以選擇RT1711H，這是一款輕量級的USB Type-C/PD控制器，下面這幅圖是對它的簡(jiǎn)介：

如果要設計雙端口的設備，RT1712會(huì )是更好的選擇，它可以同時(shí)完成兩個(gè)端口的管理，下圖是對它的簡(jiǎn)介：

用它構成的系統大概長(cháng)成這個(gè)樣子：

在某些應用中，要使用獨立的USB Type-C/PD控制器會(huì )造成系統太復雜，長(cháng)期而言就不會(huì )有什么競爭優(yōu)勢，這時(shí)候就要將其功能和其他功能集成在一起而構成單芯片的完整系統，下圖所示的電路就是這樣的示例：

這是AC/DC轉換器二次側的控制器，其中已經(jīng)集成了USB Type-C/PD控制器，MCU也被集成在其中，可以根據需要任意設計它可以支持的應用協(xié)議，已經(jīng)在某些要求嚴格的廠(chǎng)商中得到應用，下圖是由它和RT7786一起構成的完整AC/DC轉換器的電路圖：

電源網(wǎng)上已經(jīng)有由此方案構成的產(chǎn)品的拆解資料，有興趣的可以去看看，其中的另一顆器件RT7786也算是一款爆品，下表列出來(lái)的是它的一些標準版本，可供讀者應用時(shí)參考。

從中可以看到，RT7786能夠支持的保護功能也是非常多的，用戶(hù)可以根據自己的需要進(jìn)行選型配置，之所以能夠如此，完全得益于它是一款數字化的控制器的緣故，可以靈活改變其配置。

如果你對支持USB PD應用的AC/DC轉換器要求不太高，或許你也可以選擇這樣的簡(jiǎn)單設計：

這已經(jīng)被簡(jiǎn)化了許多，那么這樣的應用還可不可以簡(jiǎn)化呢？答案是可以的，立锜還有很多產(chǎn)品可以滿(mǎn)足你的需求，可考慮到篇幅已經(jīng)夠大了，我就在這里打住吧，有需要的讀者請與我們的各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)聯(lián)系，以便找到最符合自己需要的產(chǎn)品。