TUSB321AI：支持VCONN的USB Type - C配置通道逻辑和端口控制详解

引言

在当今的电子设备中，USB Type - C接口凭借其小巧、可逆、高速传输等特性，成为了主流的连接方式。而TUSB321AI作为一款专门为USB Type - C端口设计的配置通道逻辑和端口控制芯片，在实现Type - C生态系统所需的功能方面发挥着重要作用。本文将深入探讨TUSB321AI的特性、应用、详细工作原理等内容，希望能为电子工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

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一、TUSB321AI特性

1.1 规范兼容性

TUSB321AI支持USB Type - C规范1.1，并且向后兼容USB Type - C规范1.0，这使得它能够与不同版本规范的设备进行良好的适配，提高了其通用性。

1.2 电流通告能力

通过专用电流模式引脚，该芯片支持高达3A的电流通告。这意味着在实际应用中，它可以根据不同的需求，灵活地进行电流的调整和通告，满足多种设备的供电要求。

1.3 模式配置灵活性

TUSB321AI具有多种模式配置选项，包括仅主机 - 下行端口（DFP）、仅设备 – 上行端口（UFP）和双角色端口（DRP）。这种灵活性使得它可以适用于各种不同的应用场景，无论是作为供电设备还是受电设备，都能发挥其优势。

1.4 其他特性

它还具备通道配置（CC）功能，可实现USB端口连接检测、电缆方向检测、角色检测以及Type - C电流模式通告和检测等。同时，针对有源电缆提供VCONN支持，具备外部开关电缆检测与方向控制功能。此外，该芯片的电源电压范围为4.5V至5.5V，具有低电流消耗的特点，工作温度范围为 - 40°C至85°C，适用于工业级和商业级应用环境。

二、TUSB321AI应用

TUSB321AI的应用场景非常广泛，主要包括主机、设备、双角色端口应用，如移动电话、平板电脑和笔记本电脑等消费电子设备，以及各种USB外设。在这些应用中，它可以简化电路原理图，提高系统的稳定性和可靠性。

三、TUSB321AI详细说明

3.1 功能实现原理

TUSB321AI器件通过CC引脚来确定端口的连接状态和电缆方向，以及进行角色检测和Type - C电流模式控制。当配置为DRP时，会交替配置为DFP或UFP。CC逻辑块通过监视CC1和CC2引脚上的上拉或下拉电阻，来确定何时连接了USB端口、电缆的方向以及检测到的角色，并根据检测到的角色来确定Type - C电流模式为默认、中等还是高。同时，该器件还支持$V_{BUS}$检测，用于确定UFP的连接和分离，以及在DRP模式下解决角色问题。

3.2 支持的线缆和设备

该芯片支持Type - C规范1.1定义的所有电缆、插座和插头，但不支持emarking。具体包括USB Type - C的各种插座和插头，如USB2.0和USB3.1的全功能平台和设备的插座、全功能Type - C插头、USB2.0 Type - C插头等，以及多种类型的Type - C电缆，如全功能Type - C电缆、USB2.0 Type - C电缆和 captive电缆等。此外，它还支持Type - C规范定义的传统电缆适配器，但电缆适配器必须与TUSB321AI设备的模式配置相对应。

四、TUSB321AI引脚配置和功能

4.1 引脚功能概述

TUSB321AI共有12个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，CC1和CC2引脚用于实现通道配置相关功能；CURRENT_MODE引脚用于控制电流通告；PORT引脚用于指示端口模式；VBUSDET引脚用于$V{BUS}$检测；VCONN_FAULT引脚用于输出VCONN过流故障信号等。

4.2 引脚详细功能说明

• CC1和CC2引脚：在UFP或DRP模式下有特定的下拉电阻，不同的电压范围可用于检测不同电流能力的DFP连接。
• CURRENT_MODE引脚：通过不同的上拉电阻连接方式，可以通告不同的电流，如默认、中等（1.5A）和高（3A）电流。
• PORT引脚：为三电平输入引脚，通过不同的电平状态（高、悬空、低）可以配置设备为DFP、DRP或UFP模式。
• VBUS_DET引脚：当配置为DRP或UFP时，系统$V_{BUS}$电压需通过900 - kΩ电阻连接到该引脚，用于检测UFP的连接。
• VCONN_FAULT引脚：为开漏输出，当检测到VCONN过流故障时，该引脚会被拉低。

五、TUSB321AI规格参数

5.1 绝对最大额定值

包括电源电压、控制引脚电压、存储温度等参数的最大额定值。例如，电源电压VDD的范围为 - 0.3V至6.0V，存储温度范围为 - 65°C至150°C。超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

5.2 ESD额定值

该芯片具有一定的静电放电防护能力，人体模型（HBM）的ESD额定值为 + 3000V，带电设备模型（CDM）的ESD额定值为 + 1500V。

5.3 推荐工作条件

在推荐的工作条件下，芯片能够稳定可靠地工作。例如，电源电压范围VDD为4.5V至5.5V，系统$V_{BUS}$电压范围为4V至28V，工作温度范围为 - 40°C至85°C等。

5.4 热信息

给出了芯片的一些热性能参数，如结到环境的热阻、结到外壳（顶部）的热阻等，这些参数对于芯片的散热设计具有重要的参考价值。

5.5 电气特性

包括功耗、引脚电阻、电压阈值等方面的电气特性。例如，在未连接模式下的电流消耗、CC引脚的下拉电阻、不同电流能力下的电压检测阈值等。

5.6 开关特性

涉及CC引脚电压去抖时间、$V_{BUS}$检测去抖时间、DRP模式的占空比和周期等开关特性参数。

六、TUSB321AI功能模式

6.1 未连接模式

这是TUSB321AI的主要工作模式之一，当USB端口未连接时，$V_{DD}$可用，所有IO都可操作。设备上电后首先进入该模式，会检查PORT引脚并根据其配置进行操作。如果配置为DRP，会在UFP和DFP之间切换。PORT引脚仅在复位或上电时进行采样。

6.2 活动模式

当端口连接时，设备进入活动模式，此时所有GPIO都可操作。如果配置为DFP或DRP连接为源，通过ID引脚向AP通信USB端口已连接；如果配置为UFP或DRP连接为 sink，则通过OUT1和OUT2引脚进行通信。在某些情况下，如电缆拔出或$V_{BUS}$移除（作为UFP连接时），设备会退出活动模式。

6.3 死电池模式

当$V_{DD}$不活动时，设备进入死电池模式，此时CC引脚始终默认设置为下拉电阻，相当于TUSB321AI在UFP模式下具有5.1 kΩ ± 20%的下拉电阻。

七、TUSB321AI应用和实现

7.1 典型应用示例 - DFP模式

以DFP模式为例，设计时需要考虑多个参数。例如，$V_{DD}$设置为5V，使用100 - nF电容靠近VDD，100 µF电容满足USB Type - C的大容量电容要求。通过将CURRENTMODE引脚通过10 - kΩ电阻拉高到$V{DD}$来通告3A电流。使用DIR引脚控制MUX连接USB3 SS信号到USB Type - C插座的适当引脚，为了减少布线交叉，可交换CC1和CC2与TUSB321AI的连接。PORT引脚拉高时，设备处于DFP模式。VBUSDET引脚通过900 - kΩ电阻连接到$V{BUS}$，以保护芯片免受大电压影响。

7.2 初始化设置

TUSB321AI的上电初始化过程包括：系统上电，设备内部配置为UFP模式；$V{DD}$上升，POR电路工作；设备进入未连接模式，确定PORT引脚电压，从而确定工作模式（DFP、UFP、DRP）；作为DFP监视CC引脚，作为UFP监视$V{BUS}$；成功检测到连接后进入活动模式。

八、TUSB321AI电源供应和布局建议

8.1 电源供应

TUSB321AI的电源供应范围为4.5V至5.5V，可使用系统电源如电池供电，具有较宽的电源适应性。

8.2 布局指南

在PCB布局时，需要注意一些细节。例如，连接多个点时产生的额外走线（或短截线）不能过长，Type - C插座处DP和DM引脚短接产生的短截线长度不超过3.5mm。同时，应将100 - nF电容尽可能靠近$V_{DD}$引脚放置，以提高电源的稳定性。

九、总结

TUSB321AI作为一款功能强大的USB Type - C配置通道逻辑和端口控制芯片，具有多种特性和功能，适用于多种应用场景。电子工程师在设计相关电路时，需要充分了解其引脚功能、规格参数、工作模式等内容，并根据具体的应用需求进行合理的配置和设计。同时，在电源供应和PCB布局方面，遵循相应的建议，以确保芯片能够稳定可靠地工作。希望本文能够为电子工程师们在TUSB321AI的应用设计中提供有益的帮助。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。