USB PD 3.0 快速切换注意事项

USB Type-C™ 和 USB Power Delivery (PD) 的引入将永远改变我们与笔记本电脑/平板电脑/智能手机和配件的交互方式 一根电缆提供电源和数据，无需预先配置到哪一端或设备是主机还是客户端。电源可以来自两端或设备，电源角色可以根据条件动态变化。随着 USB PD 2.0 设备进入市场，我们立即目睹了几个用例，推动了我们认为可能的范围。

图 1 显示了主机、集线器和外设的常见配置。目的是通过集线器为主机充电，同时为硬盘驱动器供电并在显示器上保持无损图像。但是当你拔下充电器插头时会发生什么？

图 1：由 USB PD 集线器供电的 USB PD 主机

嗯，这取决于，这就是手头的问题。在许多系统中，权力角色交换不够快；由于USB PD主机成为电源，数据和视频连接短暂失败。其他系统在原始电源角色建立后进入备用模式（如TI的快速交换），确保即使充电器从USB PD集线器上移除也有稳定的电压可用。

图 2：由 USB PD 主机供电的 USB PD 集线器

尽管设计人员使用 USB PD 2.0 找到了解决此问题的方法，但很明显，需要一种通用方法来提供设备之间的互操作性和一致性。

新的 USB PD 3.0 规范引入了一种解决方案，可在 USB Type-C 和 USB Power Delivery 生态系统中提供更加一致的用户体验。原始来源必须认识到权力已被移除并启动权力角色交换。原始接收器必须以比正常 PD 电压变化期间所允许的速度快得多的速度向原始源供电。这两个组件允许原始电源在断电情况下保持供电。

当源将 CC 线拉至 490mV 以下 60-120µs 时，将启动快速角色交换。图 3 显示了集成到TPS65983B中的信号组件。

TPS65983B 是一款独立式 USB Type-C 和 USB 供电 (PD) 控制器，可在 USB Type-C 连接器中提供电缆插入状态和方向检测。在电缆检测过程中，TPS65983B 会在 CC 线上使用 USB PD 协议进行相应传输。当完成电缆检测和 USB PD 协商之后，TPS65983B 会使能相应的电源路径，并配置内部和外部（可选）多路复用器的交替模式设置。 CC 引脚上的混合信号前端可为 Type-C 电源提供默认值 (500mA)、1.5A 或 3A 三种电流、检测电缆插入事件、确定 USB Type-C 电缆方向以及遵循指定的双相标记编码 (BMC) 和物理层 (PHY) 协议自主协商 USB PD 合约。端口电源开关在 5V 电压下可为传统 USB 电源和 Type-C USB 电源提供高达 3A 的下行电流。当 USB PD 电源用作供电器件（主机）、受电器件（设备）或供电-受电器件时，附加的双向开关路径可在最高 20V 的电压下为其提供高达 3A 的电流。此外，TPS65983B 也可用作上行数据端口 (UFP)、下行数据端口 (DFP) 或者双角色数据端口。端口数据多路复用器可实现端口与顶部或底部 D+/D– 信号对之间的 USB 2.0 HS 数据传输，并且具有一个 USB 2.0 低速端点。

如我们所见，每条 CC 线上都有一个低电阻下拉。断电后，TPS65983B 内部控制器将在适当的时间内启用这些下拉，向消费者发出快速角色转换即将发生的信号。

图 3：CC 快速角色交换信令

接收到快速角色交换消息后，主机必须非常迅速地采取行动。它具有不到 150µs 的时间来承担源角色并在 3A 时提供高达 5V 的电压。在正常条件下，假设典型值为 30mV/µs，5V 电源的开启时间约为 158µs。为了满足新规范，需要一个更快、更动态的解决方案。幸运的是，TPS65983B 集成了源电源和接收电源路径。它能够动态更改内部功率 FET 的开关时间以满足新的时序要求，并且可以动态重新配置限流设置以处理因快速导通时间而导致的浪涌电流增加。下面的图 4 显示了从旧源到新源的 VBUS 切换，以保持 VBUS 上的恒定电源。

图 4：快速角色交换期间的 VBUS

USB Type-C 和 USB PD 现在可以提供必要的框架来完成用户体验。TPS65983 不仅提供所需的 USB PD 3.0 信号，还包括功率 FET 和电源路径控制，以完成快速角色交换的实施。不再需要专有或离散的实现。使用 TPS65983B 进行快速切换从未如此简单。