用于便携式设备的简化版USB Type-C 电源管理设计
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如今，带有USB Type-C 接口的应用和便携设备越来越多见。USB Type-C（也称为USB-C）连接器优点很多，如体积小、易于使用、功能多样等，而且可支持多种协议，例如USB 3.1、DisplayPort、HDMI和USB PD。USB 实施者论坛 (USB-IF) 发布的 USB Type-C 指南被称为 USB Type-C 电缆和连接器规范，其中概述了可以实现其多功能性的 USB Type-C 标准。本文将讨论 USB Type-C 规范，以及如何设计简化的供电解决方案，以满足必要的便携式设备和配件应用供电要求。
USB Type-C 规范定义了四对电源引脚用于供电，以及两个 CC 引脚用于检测设备状态。它定义了两个潜在电源：VBUS 和 VCONN。 VCONN 引脚没有特别的规格，因为其电压总是在 3V 和 5V 之间；但 VBUS 的电压范围较宽，必须符合不同的协议，如 USB PD。在 USB PD 协议下，VBUS 电压可高达 20V。为了在电压激增时保护连接的设备，USB Type-C 电缆和连接器规范要求连接到 VBUS 的引脚要能够承受高达 21V 的电压。
对有带电标记的 USB 电缆，VCONN 和 VBUS 都可以提供电源。如果 VCONN 可用而且能被检测到，则连接的设备由 VCONN 供电。如果移除了VCONN，则设备由 VBUS 供电。为了监测这两种电源路径的可用性，系统需要一个 O 型环路来检测电源变化。图 1 显示了一个传统的 O 型环路。该电路有四个 I/O 引脚、两个电源输入引脚（VIN1 和 VIN2）、一个输出电源引脚（VOUT）和一个选择引脚（SEL）。当 SEL 引脚接收到信号时，内部逻辑控制器会产生两个控制信号来选择来自VIN1 或 VIN2 的电源路径。
图1: O型环路
我们举例说明USB Type-C 电缆的一种应用，将VBUS 连接到 VIN2，VCONN 连接到 VIN1。当 Q2 导通而Q1 关断时，在VIN2 到 VIN1 之间会因MOSFET 体二极管产生电流 (IS)。在这种设置下，VBUS 电压可能高达 20V，这意味着任何连接到 VIN1 的设备都可能被损坏。
要解决这个问题，应采用四个 MOSFET（两条路径各有一对背对背 MOSFET ）来实现最佳 O型环路（参见图 2）。该电路使用两个 MOSFET 作为一个开关。由于这两个 MOSFET 的体二极管方向相反，因此无论哪一个开关（开关 1 或开关 2）导通或关断，都不会产生漏电流。
使用四个 N 沟道 MOSFET（Q1、Q2、Q3 和 Q4）创建两个开关，并构建一个 O 型环路，可以实现两个电源引脚（VIN1 和 VIN2）的快速瞬变，同时可以通过 SEL 引脚选择电源路径。
图2: 集成背对背MOSFET的O型环路
MPS 的MP5461就是一款将这种类型的 O型环路集成到其设计中的变换器，它在测试时表现优异（参见图 3 和图 4）。当 SEL 引脚从低电平切换到高电平，且电源引脚从 VIN1 切换到 VIN2 时，VOUT均保持出色的输出电压稳定性，不会出现高浪涌电流或电压过冲。当电源引脚从 VIN2 切换到 VIN1 时，表现亦是如此。
图 3：电源从 VIN1 切换到 VIN2-图 4：电源从 VIN2 切换到 VIN1
USB Type-C 电缆和连接器规范明确定义，由VCONN 供电的设备以及大多数具有带电标记的IC都需要3.3V 或 5V电压。为确保稳定的输出，无论输入电压高于、等于还是低于输出电压，都需要使用升降压（Buck-Boost）电路来处理。采用四个 MOSFET 构建升降压（Buck-Boost）电路可提供更快的瞬态响应和高效率。为了平衡空间与效率要求，可以采用两个P 沟道MOSFET 和两个N沟道 MOSFET 来构建升降压（Buck-Boost）电路。
USB Type-C 电缆和连接器规范为 USB Type-C 电缆提供的参考设计，其电子设计空间有限。在较小空间内进行设计的最有效方法是利用高度集成的电源解决方案。
而MP5461 就提供了一种高效且节省空间的电源解决方案，可以满足以上建议条件。其集成O型环路由总共八个 MOSFET提供支持，其中包含四个 N 沟道 MOSFET ，以及由两个 P 沟道 MOSFET 和两个 N 沟道 MOSFET 构成的升降压（Buck-Boost）电路（见图 5）。
图5: MP5461功能框图
该器件还提供电源路径管理和多种保护功能，包括反向电流保护、过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP)、过热关断和欠压锁定 (UVLO)保护。 它采用超小尺寸 1.4mmx1.8mm CSP 封装，可实现高达 93.8% 的效率（见图 6）。
图6: MP5461的效率与负载电流
结论
USB Type-C 电缆和连接器尽管体积小巧，但却用途广泛且功能强大，它提供两个源极（VCONN 和 VBUS）并具有宽电压范围。为实现精巧、紧凑的设计，可靠地处理并监测USB Type-C 电压，强烈建议采用带 O 型环路和升降压（Buck-Boost）电路的集成电源设备。带集成 O 型环路和升降压（Buck-Boost）电路的电路拓扑也同时适用于多输入电源应用，例如带 USB 和电池输入源（例如锂离子电池输入）的应用。其理想解决方案不仅能够有效处理两种电压，而且还能将 O 型环路和升降压（Buck-Boost）电路集成到单个器件中，以最大限度地减少占板空间和BOM 成本。具有高集成度和内置保护功能的MP5416 是具有差异化的电源设备，适用于带 USB Type-C 输入的配件产品，例如 USB Type-C 数字 AV 多端口适配器和 USB Type-C 转 HDMI 适配器。
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