ST代理商：ST意法半导体TCPP02-M18应用于USB-C充电器
TCPP02-M18保护供电模式下的USB Type-C端口，防止VBUS引脚上的过电流和通信通道（CC线路）上的过电压（最高24 V）。它是运行在STM32 MCU上的USB-C平台的配套芯片，包括微控制器可访问的电流检测机制，以实现更出色的应用控制。TCPP02-M18是Type-C端口保护（TCPP），面向源端（供电）的器件，不像TCPP01-M12保护的是吸端模式（耗电）下的USB-C端口。虽然两者有相似之处，比如CC1和CC2引脚上的系统级ESD保护（IEC61000-4-2 Level 4规定的±8 kV额定值），但它们应对的挑战截然不同。为什么说当前阶段的TCPP02-M18有着重要的意义？
规范统一带来的新挑战
欧盟委员会一直提倡充电设备使用USB-C连接器，由此带来了新的挑战。上周，欧洲议会颁布了一项新指令，要求在2024年秋季之前，所有手机都要强制使用通用USB-C充电接口。以前，许多公司会为自己的产品设计和附送特定的充电器。设计人员甚至使用稀有的桶式插孔，确保消费者只能使用对应品牌的充电器。在欧盟的这一措施下，所有设备都将使用同一款充电器。因此，工程师必须考虑更多极端例子，例如有缺陷的充电系统等。虽然上述措施主要的关注点是环境效益，但其带来的电气挑战同样不可忽视。
在诸多问题中，需要工程师着重解决的有三个，分别是：功率优化、外形因素，以及成本。消费者希望使用更智能的充电器。因此，设计人员必须创造出能够优化功耗的应用程序，尤其是在充电器达到极限时。此外，消费者还希望充电器的尺寸进一步得到缩减，智能化程度也能继续提高。毕竟，欧盟此举的根本目的是减少电子垃圾。因此，要想解决以上三个问题，难度相当地大。
STM32和TCPP02-M18将带来更多优势
从传统角度来看，工程师非常依赖于端口控制器。端口控制器的问题在于无法容纳整个Cortex-M核心，且存储容量较小，因而会给物料清单（BoM）增加的额外成本。除了USB-C端口，工程师们不能将它们用于其他用途，而在添加基本功能（比如电流检测）时，通常需要在主板上集成更多的组件。因此，在缩小PCB尺寸与添加组件之间出现了矛盾，当中不仅需要开展大量的工作，还可能推迟上市发布。此外，控制器和保护装置也需要外部PMOS晶体管，进一步增加了物料成本。
对于以上痛点，工程师设想了许多方案进行规避。例如，使用内置USB-C PD控制器的STM32微控制器可实现庞大的计算吞吐量。由于更先进的控制，工程师们可以优化各自的电源管理系统，甚至按照USB-C应用程序运行自己的整个固件，从而简化整体开发。例如，可以将TCPP02-M18连接到STM32的ADC引脚，从而轻松地受益于即时电流传感测量。简单地说，工程师届时将能以更直接的方式构建功能更丰富的应用。
【带有 USB-C 连接器、TCPP02-M18 和 STM32 MCU 的 USB-C 源应用程序】
尺寸与成本
使用STM32和TCPP02-M18或任何TCPP器件的另一个效果是减少了PCB上的组件数量。无需添加复杂的专用控制器或大量外部组件，就能创建稳健的系统。因此，缩小设计尺寸将变得更加简单。工程师也能得到更好的可靠性保证。事实上，器件越少，故障点也就越少。此外，STM32微控制器享有10年保修支持，而TCPP系列产品直接受益于我们的BIPOLAR-CMOS-DMOS（BCD）技术（图片该技术近期被公认为IEEE发展史上的里程碑）。由于充电器现在必须应对广泛的应用场景，所以必须满足新的可靠性要求。
简单、可靠的设计离不开经济划算的物料成本和生命周期。如果工程师使用未集成USB-C PD控制器的STM32，则仍然可以使用TCPP02-M18来设计5 V / 3 A基础应用。而那些集成了USB-C PD控制器的STM32可以管理最高20 V@5 V（100 W）。在这两种情况下，STM32和TCPP02-M18有助于降低成本。此外，TCPP02-M18配套芯片包括一个充电泵，用于驱动更经济划算的NMOS晶体管（而非PMOS器件）。
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电源保护有哪些特殊之处？
VBUS保护
【TCPP02-M18特点】
USB应用者论坛（USB-IF）为供电模式下的USB-C端口定义了独特的功能。例如，为另一个系统充电的产品必须监测和控制电流。因此，TCPP02-M18具有过流保护功能，并在VBUS上集成了栅极驱动器。与之相对的是，用于受电设备的TCPP01-M12具有过电压保护功能，因为接收电荷的产品必须协商电压，并保护自己不受有缺陷的充电器或电缆的影响。另外，USB-IF将供电端口定义为冷连接器，即断开电缆后，不会有电流流动。因此，断开连接之后的TCCP02-M18有一个放电路径，将电流重定向到接地。
CC和VCONN保护
USB-C是可反转的连接器，无论哪一面朝上，电缆都可以插入端口。这是因为连接器使用两个通信信道，一个在顶部（CC1），另一个在底部（CC2）。USB-C电缆只有一根CC线，依靠端口检测电缆连接到的信道来确定方向。因此，保护CC线路是非常重要的。TCPP02-M18为CC线路提供最高6 V的过压保护，防止与VBUS短路。该保护装置还确保为通信信道提供高ESD保护。
插入USB-C电缆后，未使用的CC线路作为可选输电线（如果需要），用于电缆和小型配件。例如，VCONN线路可以为电子标记线缆（EMCA）供电。后者包含的IC可以调理信号，以延长线缆长度。其中的挑战在于，USB-IF将VCONN的功率设为0.1 W。因此，TCPP02-M18包括最高50 mA的过流保护和最高6 V的过压保护，以防止与VBUS短路。
如何入门？
【NUCLEO-G071RB上的STEVAL-2STPD01】
要想快速入门USB-C供电产品设计，就需要借助STEVAL-2STPD01和X-NUCLEO-SRC1M1。第一个是双端口参考设计，使用两个TCPP02-M18和一个STM32G0（具有两个USB-C PD控制器，以及功率共享功能）。实际上，STPD01可以共享120 W功率。因此，从理论角度来说，如果一个端口只给一台遗留设备充电15 W，则另一个端口可以提供剩下的120 W。然而，STEVAL-2STPD01将每个端口所能提供的功率均限制为60 W（20 V@3 A）。开始设计时，工程师会获得一张示意图和一个软件包STSW-2STPD01。
X-NUCLEO-SRC1M1是更传统的子板，配有一个USB-C端口、一个TCPP02-M18，以及ST715高压稳压器等其他组件，支持最高100 W的功率配置文件。工程师可以将其用于Nucleo板，板件上的MCU包含一个USB PD控制器，例如NUCLEO-G071RB、NUCLEO-G474RE，以及NUCLEO-G0B1RE。它使应用设计更加简单直接，特别是在使用X-CUBE-TCPP驱动和中间件之后。此外，也可以使用X-NUCLEO-SRC1M1（不带内嵌USB PD控制器的MCU），例如NUCLEO-F446RE。但是，开发人员只会受益于采用该配置的5 V解决方案。
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在之前的介绍中，我们也为大家介绍了《意法半导体推出新的数字电源控制器》，也是目前我们主推的非常成熟的解决方案
编辑：zzy 最后修改时间：2023-06-05
