TPS25820/21：USB Type-C源控制器的卓越选择

引言

在当今的电子设备领域，USB Type-C接口凭借其强大的功能和便捷性，已经成为了主流的连接方式。为了更好地支持USB Type-C接口的应用，德州仪器（TI）推出了TPS25820和TPS25821这两款高度集成的USB Type-C源控制器。本文将深入探讨这两款控制器的特性、应用以及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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产品概述

TPS25820和TPS25821是专为USB Type-C连接器和电缆开发的高度集成的USB Type-C源控制器，内置了用于 $V{BUS}$ 的电源开关。其中，TPS25820还具备用于 $V{CONN}$ 的集成电源开关，而TPS25821则适用于不需要 $V{CONN}$ 功能的场景，如USB 2.0 DFP端口或仅作为USB源端口使用。这两款器件均符合USB Type-C规范版本1.3，能够在不支持USB电源传输（PD）源功能（例如 $V{BUS}>5V$ ）的系统中，为USB Type-C DFP提供全面的支持。

特性亮点

1. 兼容性与连接检测

• USB Type-C兼容性：完全兼容USB Type-C Rel. 1.3规范，确保了与各种符合该标准的设备的良好互操作性。
• 连接检测功能：通过监测Type-C配置通道（CC）线路，能够准确检测USB接收装置的连接和断开状态。当检测到接收装置连接时，会向 $V{BUS}$ 供电，并将可选的 $V{BUS}$ 拉电流能力通过直通CC线路传达给接收器。对于TPS25820，在使用电子标记电缆连接接收装置时，还会将 $CONN$ 电源施加于电缆 $CONN$ 引脚。

2. 电流通告与保护

• 电流通告性能：支持USB Type-C标准定义的两种电流通告方式，通过CHG引脚控制向连接的Sink广播的电流能力。
• 过载保护机制：当Sink吸取的电流超过端口的USB Type-C电流通告值时，内部电流限制调节器会自动限制OUT引脚的输出电流，确保器件的安全运行。

3. 极性确定与低功耗

• 超高速极性确定：能够快速准确地确定Type-C连接器的极性，确保数据和电源的正确传输。
• 低功耗特性：在不附加任何器件时，Type-C连接器的工作电流仅为1.0µA（典型值），有效降低了系统的功耗。

4. 静电放电（ESD）保护

CC1和CC2引脚具备±8kV接触放电以及±15kV空气放电的ESD额定值（IEC - 61000 - 4 - 2），为器件提供了可靠的ESD保护，增强了系统的稳定性和可靠性。

5. 热保护功能

内置两个内部过温关断阈值 $T{TH _ OTSD1}$ 和 $T{TH _ OTSD2}$，当器件温度超过阈值时，会自动采取相应的保护措施，如关闭电流限制中的开关或禁用整个器件，以保护内部FET免受损坏，确保系统的整体安全。

应用场景

1. 笔记本电脑、台式计算机和平板电脑

为这些设备的USB Type-C端口提供稳定的电源控制和连接检测功能，确保设备与外部设备之间的可靠通信和充电。

2. LCD监视器、扩展坞和充电托板

实现对USB Type-C接口的高效管理，支持多设备连接和充电，提升用户体验。

3. Type-C USB墙壁充电器、移动电源和CLA

在充电设备中，能够准确控制输出电流，提供安全可靠的充电功能，同时支持与各种支持USB Type-C的设备兼容。

4. 机顶盒和音频/视频系统

为这些系统的USB Type-C接口提供必要的电源和数据管理，确保设备之间的正常连接和数据传输。

设计要点

1. 电容选择与布局

• 输入电容：为了减少输入电压的过冲和下垂，建议在IN和GND之间靠近器件处放置一个0.1µF或更大的陶瓷旁路电容。对于输入电感较大的应用，可能需要更大的输入电容来防止电压过冲超过器件的绝对最大电压。
• 输出电容：由于Type-C接口在未连接Sink时被视为冷插拔，因此建议将输出电容放置在IN引脚而不是OUT引脚。同时，在OUT引脚放置一个小于10µF的陶瓷电容，以实现更好的电压旁路和符合Type-C规范。

2. 系统级ESD保护

系统级ESD可能会在插拔电缆或用户触摸USB接口时发生。OUT引脚上的推荐电容有助于降低ESD对 $V_{BUS}$ 路径的影响，保护器件的OUT引脚。此外，CC1和CC2引脚内置了ESD保护，只要遵循正确的走线布局指南，就无需额外的外部保护。

3. 电阻选择与连接

• REF引脚电阻：在REF和GND引脚之间连接一个±0.5%的100kΩ电阻，该电阻的精度会影响过载电流限制公差和CC电流，因此选择高精度电阻有助于提高电流限制精度和器件的整体性能。
• 上拉电阻：对于开放漏极输出的上拉电阻，建议使用100kΩ的电阻，并将其靠近连接引脚放置。当某个开放漏极输出在系统中不需要使用时，可以将其引脚留空或接地。

4. 电源供应

USB规范要求连接器处的 $V_{BUS}$ 电压在4.75V至5.5V之间，因此输入电源应靠近器件放置，以减少电压降。同时，电源的额定电流应高于设定的电流限制，以避免在过流和短路情况下出现电压下垂。

典型应用案例

1. 无BC 1.2支持的Type-C源端口实现

图12展示了一个能够支持5V和1.5A充电的最小Type-C源实现方案。该方案通过合理选择电容和电阻，确保了系统的稳定性和兼容性。

2. 支持BC 1.2（DCP模式）的Type-C源端口实现

虽然TPS25820/21本身不支持BC1.2充电模式，但通过将D+和D - 引脚短路（最大阻抗为200Ω）并浮空接地，可以实现BC1.2 DCP模式的支持。这种方式适用于需要为传统设备充电的场景，如墙壁充电器和汽车充电器。

3. USB 3.1 Type-C充电端口实现

在USB 3.1 Type-C充电端口的实现中，TPS25820可以通过POL引脚控制超高速数据MUX，确保数据的正确传输，同时提供稳定的电源供应。

4. TPS25821在USB汽车充电器中的应用

由于TPS25821具有小尺寸、高度集成和超低待机电流的特点，非常适合用于汽车点烟器适配器（CLA）USB汽车充电器，能够支持Type-C 1.5A和BC1.2 DCP充电，满足快速充电的需求。

总结

TPS25820和TPS25821作为USB Type-C源控制器的优秀代表，凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和合理的设计要点，为电子工程师们提供了一个可靠的解决方案。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择器件和配置参数，同时遵循布局和布线的最佳实践，以确保系统的性能和可靠性。希望本文能够帮助工程师们更好地理解和应用这两款器件，为USB Type-C接口的设计带来更多的便利和创新。

你在使用这两款器件进行设计时，是否遇到过一些独特的挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。