有效防止USB Type-C接口被燒, TCPP01-M12讓工程師為歐盟新規做好準備

TCPP01-M12芯片可以在受電模式(充電)下保護USB Type-C^TM接口，防止過(guò)壓沖擊接口針腳，VBUS線(xiàn)最大耐壓24V，CC線(xiàn)最大耐壓6V，還具有靜電放電防護等安全功能。TCPP代表了Type-C接口保護，同時(shí)TCPP01-M12可與內置 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 的獨到之處還在于，當接口沒(méi)有連接任何設備時(shí)，其靜態(tài)電流為零。

TCPP01-M12: 保護USB-C的熱度

USB-C的崛起

▲The TCPP01-M12

媒體稱(chēng)贊 2019 年是 USB-C應用普及的關(guān)鍵之年。從那時(shí)起，USB-C連接器已經(jīng)開(kāi)始滲透到科技行業(yè)的方方面面，甚至出現在我們最新款的調試探針STLINK-V3MINIE上。ST調試探針僅使用成熟的技術(shù)來(lái)接觸廣大人群并提供更高的可靠性。因此，USB-C 的出現在ST探針上具有高度的象征意義。此外，歐盟還發(fā)出強烈信號表示通用 USB-C充電器法規即將出臺。因此，設備廠(chǎng)商必須在他們的產(chǎn)品中配備USB-C接口。雖然法規適用的確切范圍尚不清楚，但歐洲內部市場(chǎng)和消費者保護委員會(huì )在關(guān)于此事的最新會(huì )議上建議擴大該法規適用的產(chǎn)品類(lèi)型。

USB-C附帶的新挑戰

USB-C的應用帶來(lái)一系列新的挑戰。無(wú)法正確控制電壓的劣質(zhì)充電器越來(lái)越常見(jiàn)。如果受電設備(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，如果不做充分保護就充電可能會(huì )嚴重燒壞 VBUS 線(xiàn)。工程師還必須預防靜電放電或電氣過(guò)應力。由于USB Type-C 連接器非常小，所以，必須防止CC 和 VBUS 線(xiàn)之間短路，否則會(huì )燒壞 USB 控制芯片。

雖然目前還沒(méi)有相關(guān)法規，歐盟圍繞USB-C展開(kāi)的舉措也會(huì )影響產(chǎn)品設計。盡管目前使用的還是非常傳統的電源配置參數，仍然有許多企業(yè)開(kāi)始換用USB-C接口。許多設計先進(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)議標準中，電壓處理能力高達48 V，電流處理達到5 A。不過(guò)，在許多情況下，設計是在 5 V、3 A 傳統模式下用 USB-C，這種配置不需要輸電控制器，因為電源配置參數只需要一個(gè)下拉電阻。但是，這些設備同樣需要保護，因為與它們相連的產(chǎn)品可能送入更多的電能。因此，即使是傳統模式也需要堅固的保護。

TCPP01-M12：實(shí)現USB-C保護

一個(gè)成本效益更高的 USB-C保護解決方案

▲All the protection and filters around MCUs

此前，保護電路都在 USB-C Power Delivery 控制器內部?，F在，我們把保護模塊嵌入MCU，并提供配套的 Type-C 端口保護芯片，降低了應用的物料清單成本。因為不再需要昂貴的 USB-C PD ASIC 控制器，這種方法還促進(jìn)了micro-B 設備向Type-C的過(guò)渡。事實(shí)上，MCU和 TCPP01-M12 捆綁設計在成本上之所以這么吸引人，是因為該保護器件集成了 VBUS 柵極驅動(dòng)器，從而可以使用更經(jīng)濟的 N-MOSFET功率管，而無(wú)需用昂貴的P-MOSFET。此外，TCPP01-M12 已通過(guò) USB-IF 認證(測試 ID：5205)，這意味著(zhù)遵循 ST 設計方法和代碼示例的團隊將更快通過(guò)認證。

一個(gè)能效更高的 USB-C保護解決方案

靈活的架構是將 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。工程師可以將低壓 MCU控制域和高壓電源路徑分開(kāi)，并獲得所需的保護功能。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。該芯片支持可編程電源 (PPS)，這意味著(zhù)受電設備從3.3V開(kāi)始逐步提高充電電壓，每次可以請求提高電壓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系統兩不誤。

與競爭解決方案相比，TCPP01-M12的低RDSon導通電阻和零靜態(tài)電流對整體能效產(chǎn)生積極的影響。靜態(tài)電流為零是因為芯片從MCU的GPIO引腳取電，而不是從內部低壓差穩壓器受電。因此，當用戶(hù)拔出充電線(xiàn)時(shí)，TCPP01-M12 不消耗任何電能。對于想要制造有小電池的微型產(chǎn)品的公司來(lái)說(shuō)，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，當產(chǎn)品只有一支筆大小時(shí)，每一微安都很重要。

入門(mén)板X-NUCLEO-SNK1M1

此前，開(kāi)發(fā)USB-C PD應用非常地費時(shí)費力。工程師必須讀500多頁(yè)的技術(shù)文檔，才能弄明白充電協(xié)議。開(kāi)發(fā)團隊幾乎是要從零開(kāi)始。現在，ST所有的帶USB-C端口的新開(kāi)發(fā)板都將集成TCPP01-M12芯片，這樣，設計人員就可以獲取我們的原理圖，拿到他們自己的設計中二次使用。我們還推出了 X-NUCLEO-SNK1M1 64針Nucleo擴展板，板上集成TCPP01-M12 和一個(gè)負載開(kāi)關(guān)，當與 NUCLEO-G071RB 或 NUCLEO-G474RE 開(kāi)發(fā)板配合使用時(shí)，可以實(shí)現最大功率100 W的PPS USB-C Power Delivery受電端應用。

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