TPS25814：集成拉电流电源开关的 USB Type-C 控制器深度解析

引言

在当今的电子设备中，USB Type-C 接口凭借其高功率传输、高速数据传输以及正反可插等优势，得到了广泛应用。TI 的 TPS25814 作为一款专门为 USB Type-C 设计的控制器，集成了拉电流电源开关，为 USB Type-C 接口的应用提供了强大支持。本文将对 TPS25814 的特性、应用、详细规格等方面进行深入剖析，帮助电子工程师更好地了解和应用这款产品。

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一、TPS25814 特性与应用概述

特性亮点

1. 符合 USB Type-C 规范：具备线缆连接和方向检测功能，集成式 VCONN 开关，CC 引脚耐压达 26V，还支持可配置电流广播。
2. 集成式 VBUS 供电端口电源开关：提供 5V、3A、36mΩ 的电源开关，且为 UL 认证组件（E169910），具备欠压和过压保护，可配置高达 3A 的电流限制。
3. 其他特性：支持 USB type-C 连接器系统软件接口（USCI），适用于工业温度范围，还提供面向多端口系统的可选简易电源管理。

应用场景

1. 笔记本电脑和台式机：为电脑的 USB Type-C 接口提供稳定的电源和数据传输控制。
2. 15W USB-C 充电器：实现高效的充电功能。
3. 集线站和集线器：用于扩展 USB Type-C 接口数量，满足多设备连接需求。

二、器件信息与规格

封装信息

TPS25814 采用 QFN(RSM)封装，尺寸为 4.0mm x 4.0mm。如需了解所有可用封装，可参阅数据表末尾的可订购产品附录。

详细规格

1. 绝对最大额定值：涵盖输入电压范围、输出电压范围、源电流等多个参数的最大额定值，如输入电压范围中，PP5V 为 -0.3V 至 6V，VBUS 为 -0.3V 至 28V 等。
2. ESD 额定值：人体模型（HBM）下所有引脚为 ±1000V，带电设备模型（CDM）下为 +500V。
3. 推荐工作条件：规定了输入电压范围、输出电流等参数的推荐值，如 VIN3V3 为 3.0V 至 3.6V，输出电流（from PP5V）的 VBUS 最大为 3A 等。
4. 推荐电容：给出了不同引脚的推荐电容值，如 CVIN_3V3 电容值为 5 至 10μF 等。
5. 热信息：包含结到环境、结到外壳等不同情况下的热阻参数。
6. 电源特性：如 VBUS UVLO 阈值上升为 3.6V 至 3.9V 等。
7. 功耗：在不同工作模式下的电流和功率消耗，如 Active Source 模式下流入 VIN_3V3 的电流为 3mA 等。
8. PP_5V 电源开关特性：包括电阻、响应时间等参数，如 PP5V 到 VBUS 的电阻在 LOAD = 3A、TJ = 25°C 时为 36mΩ 等。

三、详细功能描述

整体架构

TPS25814 主要分为电缆插拔和方向检测电路、端口电源开关、电源管理电路和数字核心几个主要部分。

1. 电缆插拔和方向检测：模拟电路可自动检测 USB Type-C 电缆的插拔和方向。
2. 端口电源开关：根据检测到的插头方向，为 VBUS 引脚以及 CC1 或 CC2 引脚提供电源。
3. I2C 接口：具有 I2C 从端口，可由主机处理器控制。
4. 热关断机制：集成热关断机制，确保设备在高温环境下的安全运行。

内部电源路径

1. PP_5V 路径：从 PP5V 到 VBUS 的路径，可连续传导高达 3A 的电流，具备电流钳位、过压保护、UVLO 保护和温度感应电路。
2. PP_CABLE 路径：从 PP5V 到 CCx 的路径，可连续传导高达 315mA 的电流，同样具备多种保护机制。

电缆插拔和方向检测功能

当配置为源时，通过 CC1 和 CC2 引脚检测电缆或接收器的连接状态，根据不同的连接状态采取相应的动作，如提供电源、监测插拔等。

数字接口功能

1. 故障指示（FAULT）：当 PP_5Vx 电源路径进行电流钳位时，FAULT 引脚置位。
2. 接收器连接指示（SINK）：检测到有效接收器连接时，SINK 引脚置位。
3. 极性指示（POL）：SINK 引脚置位且 CC2 连接到插头中的 CC 线时，POL 引脚置位。
4. 电源管理（CHG_HI）：根据 CHG_HI 引脚状态调整电流广播和电流限制。
5. 电池充电控制（CTL）：控制 BC 1.2 充电模式。
6. 调试附件检测（DEBUG）：检测到 Type-C 调试附件连接时，DEBUG 引脚置低。
7. 禁用端口（EN）：将 EN 引脚置低可强制设备进入 Type-C 错误恢复状态。

I2C 接口

1. 接口描述：支持标准和快速模式的 I2C 接口，通过 I2C_EC_SDA、I2C_EC_SCL 和 I2C_EC_IRQ 引脚提供设备状态信息和控制功能。
2. 时钟拉伸：支持 I2C 协议的时钟拉伸功能，确保数据传输的稳定性。
3. 地址设置：主机可通过 ADCINx 引脚选择每个端口在 I2C_EC_SCL/SDA 总线上的唯一从地址。

四、应用与实现

应用信息

TPS25814 作为 Type-C DFP 控制器，仅在检测到 UFP 连接时为 VBUS 供电，断开时移除电源，还能提供 VCONN 电源，支持 BC 1.2 充电方案。

典型应用 - Type C DFP 端口与嵌入式控制器的实现

1. Type-C 连接器 VBUS 电容：在 Type-C 连接器的 VBUS 引脚添加 10-nF、额定电压 25V 及以上的电容，可过滤高频噪声和吸收电压瞬变。
2. VBUS 肖特基和 TVS 二极管：肖特基二极管用于吸收电缆移除时的大 GND 电流，TVS 二极管用于抑制和钳位瞬态电压。
3. VBUS RC 缓冲器：可将 USB Type-C VBUS 的过压响应从欠阻尼变为临界阻尼或过阻尼，限制电压波动。

五、电源供应建议

3.3-V 电源

VIN_3V3 输入是 TPS25814 的主要电源，VIN_3V3 开关为单向开关，推荐连接 CVIN_3V3 电容。

1.5-V 电源

内部电路由 1.5V 供电，通过 1.5-V LDO 从 LDO_3V3 降压得到，推荐连接 CLDO_1V5 电容。

推荐负载电容

规格部分列出了不同电源的推荐电容值，需注意最小、典型和最大电容值的要求。

六、布局建议

布局准则

合理的布线和元件放置可保持高速信号的完整性，提高热耗散性能。

布局示例

遵循 Super / High Speed 信号的差分阻抗规范，对所有 I/O 进行扇出。

元件放置

将 TPS25814 放置在电路板顶层，大部分元件放置在底层，CC 电容应靠近相应的 CC 引脚，ADCIN1/2 电压分压电阻可灵活放置。

布线和过孔放置

在顶层为 PP5V 和 VBUS 创建铜箔，使用至少 6 个 8-mil 孔和 16-mil 直径的过孔将其连接到底层。

七、总结

TPS25814 作为一款功能强大的 USB Type-C 控制器，在特性、功能和保护机制等方面表现出色。电子工程师在设计 USB Type-C 接口相关产品时，可充分利用其优势，同时在应用和布局过程中遵循相应的建议，以确保产品的稳定性和可靠性。在实际设计中，你是否遇到过类似 USB Type-C 控制器应用的挑战呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。