深度剖析TSU8111：一款集成充电器的USB 2.0高速开关芯片

在电子设备的设计中，USB接口的应用无处不在，而如何高效、稳定地实现USB信号的切换以及电池充电功能，一直是工程师们关注的重点。今天，我们就来深入剖析德州仪器（TI）的TSU8111芯片，它是一款集成了线性充电器的双单刀双掷（SP2T）微USB开关，为便携式设备的设计提供了出色的解决方案。

文件下载：tsu8111.pdf

1. 芯片概述

TSU8111专为便携式设备（PD）通过微型USB连接器与外部外设进行接口而设计。它具有以下显著特点：

• 双SP2T USB 2.0高速开关：能够实现USB信号的灵活切换，支持UART或USB 2.0高速信号。
• 集成单节充电器：最大可编程充电电流可达950 mA，无需外部充电器IC，降低了成本和电路板空间。
• 多种检测功能：可检测符合BCv1.1标准的充电器以及使用ID电阻的附件。
• I2C接口控制：支持自动检测和手动控制两种模式，方便用户根据需求进行配置。

2. 应用领域

TSU8111适用于多种便携式设备，如手机、上网本、笔记本电脑、平板电脑和便携式手持设备等。在这些设备中，它可以实现USB信号的切换、附件检测、充电器检测以及电池充电等功能，为设备的正常运行提供了有力保障。

3. 详细特性分析

3.1 线性充电器

TSU8111的线性充电器具有充电电流可调节的功能，范围从200 mA到950 mA。其充电过程如下：

• 预充电模式：当电池电压$V{BAT}$低于预充电阈值$V{PRECHG}$（2.5 V）时，设备以90 mA的充电电流进行预充电。
• 快速充电模式：当$V{BAT}$达到$V{PRECHG}$后，设备切换到快速充电模式，并采用软启动方式。
• 恒压充电模式：当$V{BAT}$接近设定电压$V{SET}$时，充电器进入恒压充电模式，以编程的调节电压进行充电。
• 充满检测：当充电电流达到编程的满充电流时，TSU8111会向主机发出中断信号，表示电池已充满，并启动充电器关闭定时器。

3.2 电压保护

• 过压保护：当$V{BUS}$超过过压保护阈值$V{BUS(OVP)}$时，线性充电器关闭，切断电路电源。当输入电压回到$V{BUS(OVP)}-V{BUS(OVP(hys)}$以下且高于$V_{BUS(UVLO)}$时，充电器重新开启。
• 欠压保护：当$V{BUS}$和$V{BAT}$低于欠压保护阈值时，TSU8111关机。只有当$V{BAT}$高于2.5 V且$V{BUS}>3.7 V$，$V{BUS}-V{BAT}>250 mV$时，设备和充电器才会开启。

3.3 电源复位

• 上电复位：当$V{BAT}$上电时，内部上电复位将TSU8111置于复位状态。当$V{BAT}$达到$V_{POR}$时，$I^{2}C$寄存器和状态机初始化到默认状态。
• 软件复位：通过将SDA和SCL保持低电平至少30 ms，然后向寄存器1Bh的第0位写入1，可实现软件复位。

3.4 设备功能模式

• 待机模式：上电后的默认模式，当没有附件连接时，设备处于待机状态。此时，VBUS和ID线通过比较器持续监测，以检测附件的连接。
• 自动切换模式：TSU8111通过检测ID引脚的电阻值来确定附件类型，并自动切换USB开关矩阵。具体的附件类型和对应的开关状态可参考附件和充电器检测查找表。
• 手动切换模式：通过将寄存器02h的第2位写为0，可启用手动切换模式。此时，DP和DM的开关状态可通过向寄存器13h [7:2]写入数据来控制。

4. 编程与寄存器配置

TSU8111通过双向$I^{2}C$总线进行通信，通信过程包括起始条件、设备地址发送、数据传输和停止条件。在编程时，需要注意以下几点：

• 写入操作：发送设备从地址并将LSB设置为逻辑0，然后发送命令字节，确定要写入数据的寄存器。
• 读取操作：先发送设备从地址并将LSB设置为逻辑0，确定要访问的寄存器；然后重新发送设备从地址并将LSB设置为逻辑1，读取寄存器中的数据。

芯片的寄存器映射包含多个寄存器，每个寄存器的不同位具有不同的功能。例如，控制寄存器（02h）可用于设置开关模式、数据读取方式和中断掩码等；中断寄存器（03h和04h）可用于检测各种事件，如VBUS检测、过压检测和附件连接/断开等。

5. 设计与布局建议

5.1 电源供应

TSU8111有三个电源输入引脚：VBAT、VBUS和VDDIO。每个引脚都需要适当的去耦电容来平滑电压噪声。具体来说，VBAT和VBUS引脚需要0.1 μF和1 μF - 10 μF的去耦电容，VLDO引脚需要1 μF的负载电容。

5.2 布局准则

• 靠近USB连接器：将TSU8111尽可能靠近USB连接器，以减少杂散噪声的影响。
• 去耦电容靠近芯片：去耦电容应尽可能靠近芯片，以降低ESR和纹波的影响。
• 控制走线长度和宽度：所有走线长度应小于2英寸，USB走线宽度对于1 oz铜厚度至少为15 mils。
• 优化过孔使用：在VBUS、VBAT和GND上增加过孔数量，以降低布线电阻和提高热性能；减少USB走线的过孔使用，以保持USB信号完整性。
• 匹配阻抗：所有USB走线应具有45 Ω的单端阻抗和90 Ω的差分阻抗，以满足USB 2.0的要求。

6. 总结

TSU8111是一款功能强大、性能稳定的USB开关芯片，它集成了线性充电器，为便携式设备的设计提供了一站式解决方案。通过合理的设计和布局，工程师可以充分发挥该芯片的优势，实现高效、可靠的USB信号切换和电池充电功能。在实际应用中，我们还需要根据具体的需求和场景，对芯片的参数和配置进行优化，以达到最佳的性能表现。

你在使用TSU8111芯片的过程中遇到过哪些问题？或者你对芯片的某个特性有更深入的见解？欢迎在评论区分享你的经验和想法。