关于USB充电下行端口的设计简单化的分析和介绍

RTQ2115A-QA 是一款通过了 AEC-Q100 Grade 1 认证的多功能 IC，它将充电端口控制器、3V~36V 输入 /3A 输出的同步 Buck 转换器和 USB 2.0 高速数据线开关集成于一体，使用了焊接性能良好的 WET-WQFN-32L 5x5 封装，是车用电子产品增设 USB 充电下行端口的理想选择。

先来看看 RTQ2115A-QA 的内部电路框图：

将它用于设计中的典型电路图大概是这样的：

图中数据告诉我们，这是一个 5V3A 输出的设计电路，左上角的文字说明它具有输出电缆的压降补偿能力，这在经过 USB 电缆进行长线传输的场合特别重要，可确保与之连接的设备得到的电压不至于因负载电流变大了就变得不足。如果需要选择 Buck 转换器的工作模式，将 MODE 端连接高电平便可得到强制的 PWM 工作模式，连接低电平则可让其在 PWM 模式和节能的 PSM 模式之间进行切换。将 BCM 分别连接高电平、低电平或浮空便可将芯片连接的端口设定为 CDP、SDP 或 DCP，这几个缩写词的定义在后面的内容中可以看到。

下面先来说说与 USB2.0 高速数据线开关相关的内容：

USB2.0 接口支持高达 480Mbps 的数据传输，其传输方式是双线半双工的，系统设计者需要在主机的 USB 控制器和 USB 连接器之间加入可控的双向驱动器才能够完成信号的发送和接收工作。如果需要在单个 USB 控制器之下设置多个 USB 接口，那就需要加入 USB 信号切换开关才能与各个接口实现分时连接，RTQ2115A-QA 所集成的 USB 2.0 高速数据线开关便是用于这一目的的，上图中所示的 DH+/DH- 在系统中便需要与USB控制器的数据线连接，而 DS+/DS- 则要直接连接到USB端口连接器上。

选择 USB 开关需要考虑的因素有很多，分别涉及导通阻抗、插入电容、带宽、隔离度、时延等参数，RTQ2115A-QA 的规格书列出了下列数据，可供设计者在选型时参考使用。

关于充电端口控制器，下面的知识可能是最基本的：

早期的 USB 接口设计是没有考虑到要为大电流外设供电或充电的，但是便携式设备的发展改变了这一局面，各厂商纷纷利用该接口上的 D+/D- 来识别自己的设备，逼得 USB-IF 出了个专门负责充电应用的规范 USB BC 即 USB Battery Charging Specification，人们最常提及的便是其 1.2 修订版即 USB BC1.2，其目的是为以超过 USB2.0 规范所定义的电流从专用充电器、主机、集线器和充电下行端口获取电能或是充电的许可设备定义检测、控制和报告机制的限制。它为什么要这么做呢？因为当一个 PD（即 portable device，便携式设备）被接入 USB 主机或集线器时，USB2.0 规范要求 PD 吸取的电流小于：

平均 2.5mA，假如总线处于挂起状态。

100mA，假如总线没有挂起，并且没有配置好。

500mA，假如总线没有挂起，并且配置为 500mA。

当此 PD 被接入一个充电口（如 CDP, DCP, ACA-Dock or ACA）时，无需经过配置或服从挂起的限制就被容许吸取足够大的电流。为了让 PD 确定它能从一个 upstream USB 端口吸取多大的电流，就需要一种机制能让 PD 可以分辨标准下行端口（Standard Downstream Port）和充电端口（Charging Port）。

前面这段从 BC1.2 的说明开始的文字是从我的一份 BC1.2 阅读笔记里摘录下来的，下面继续摘录几个名词定义以满足对此有需求的读者，而 RTQ2115A-QA 也可以支持这些端口模式。

CDP：Charging Downstream Port，充电下行端口是主机或集线器设备上的符合USB 2.0定义的下行端口，它同时具备本规范定义的 CDP 特性。

当 CDP 没有和一台外设连接起来的时候，如果发现 D+ 上的电压高于 VDAT_REF 但低于 VLGC，就会在 D- 上输出等于 VDM_SRC 的电压。一旦发现和外设的连接完成，CDP 即不再输出 VDM_SRC 电压，直至外设断开连接。

DCP：Dedicated Charging Port，专用充电端口，是一个设备上的下行端口，它通过一个 USB 连接器输出电源 ，但是不具备枚举下行（这个字应该是“游”比较合理）设备的能力。一个 DCP 应当可以平均电压 VCHG 给出电流 IDCP。DCP 的 D+ 和 D- 处于短路状态。

SDP：Standard Downstream Port，标准下行端口，是指一个设备上的下行端口，它符合 USB 2.0 对主机或集线器的定义。一个 SDP 希望一个具有正常电池的下游设备在未连接或处于挂起状态时吸取的电流少于 2.5mA；一个完成连接但没有配置好、没有挂起的下游设备吸取的电流少于 100mA；已经配置好、没有挂起的下游设备吸取的电流不大于 500mA。一个下游设备连接到 SDP 以后可以被枚举。一个 SDP 通过两只 15kΩ 电阻将 D+ 和 D- 拉低到地电平。一个 SDP 可以具有这样的能力，当 PD 将 D+ 驱动至 VDP_SRC 时，它能检测到，并且在此后合理管理其电源状态。PD 需要在已接入但没有连接而电流消耗又大于 ISUSP 时将 D+ 驱动至 VDP_SRC，见 Dead Battery Provision。

（注：这些内容是多年前的笔记，翻译自 USB BC1.2，现在看起来有点错误，所以加了一点注解。为了避免被我的理解错误所误导，请严谨的读者去查看原文。）

端口的检测当然是需要供方和需方同时配合才能完成的事情，所以 USB BC1.2 也规定了端口检测的方法，IC 设计者在具体实现时只要把这些机制设计进 IC 中便可以了。当你了解了这一切以后再来看 RTQ2115A-QA 的规格书或是介绍，看到它说自己具备充电端口控制器，你便知道它是怎样工作的了。其实 RTQ2115A-QA 还支持 YD/T1591-2009，这也就是通用手机充电器的接口标准，其中定义的标准充电器的 D+、D- 是短路在一起的，对此标准的支持被放在 DCP 接口模式之下。

最后再来说说 RTQ2115A-QA 的 Buck 转换器部分，有了它之后，与之连接的 USB 端口的 VBUS 电源供应问题就得到了解决，而它所适应的电源范围是很宽的，可以在 3V~36V 的输入电压范围内工作，当然这不表示输入电压为 3V 时也能提供正常的 5V 输出，这种情况在车辆上是很容易发生的，大负载出现如启动发动机时就会将电池总线上的电压拉到非常低的程度，Buck 能在很低的电压下工作，便能尽量确保其负载能正常运行，但正常的系统是容许在这种情况发生时暂时不工作的，就像我们启动车辆时看到很多设备灯光全灭、运行暂停一样。

RTQ2115A-QA 所含之 Buck 转换器的负载能力为 3A，即使让它通过 USB C型接口对外供电也是可以的。它对负载电流通过长线传输可能形成的IR压降进行补偿，以便确保最终负载得到的电压供应是稳定的，不会因负载电流的变化而发生大的变化。

Buck 转换器因以开关模式工作，由此造成的开关噪声是某些电子设备特别惧怕的，车载收音部分对此尤其敏感。RTQ2115A-QA 之 Buck 转换器可以在 300kHz~2.1MHz 的频率范围内工作，并且支持频谱扩展模式的工作方式，可将开关工作的噪声分配到一个比较宽的频率范围，避免其发出的射频能量集中在单一频率上，这样就可以把对收音系统的干扰降低到最低程度。

如果应用强调节能，需要尽量提高转换效率，该 Buck 转换器可以在轻载情形下进入节能工作模式以提高效率。除此以外，还是以让它工作在强制 PWM 模式比较好，这时候的输出纹波也会比较低，对有的应用来说是比较合适的。

由于 RTQ2115A-QA 主要针对的应用场合是具有供电、充电功能的 USB 端口，连接不同负载时需要使用不同的模式，其 Buck 转换器的工作是与模式的切换联动的。每当改变 BCM 端子的状态以实现模式切换时，它给 VBUS 的供电也会中断并重新复位、启动，不同模式之间的切换时长也有差别，具体的细节可参看产品规格书。

RTQ2115A-QA 作为一款车用电子设备的 USB 端口解决方案，它对安全性的考虑也要比普通的电源管理器件更多一些，例如它具有相邻引脚短路保护功能，即使因自身短路而将自己烧毁了也不至于会造成冒烟、燃烧等问题。它的数据线端子具有 ±8kV 的 HBM 静电耐受能力。它的封装是不同于一般 QFN 的 WET-WQFN，焊接中的浸润性能更好，不容易出现虚焊问题。类似这样的考虑还有很多，细节就不多说了，感兴趣的请点击文末的阅读原文查看产品规格书，也希望这样的文章能给你带来多多少少的帮助，有问题的读者可以留言交流。