USB PD應(yīng)用中的安全設(shè)計

USB type-c和USB PD的應(yīng)用可以說才剛剛開始，現(xiàn)在就談它的安全問題似乎有點多余，因為多數(shù)人都還沒有遇到，不會把這個問題放在心上，但對真正的業(yè)內(nèi)人士來說，這絕不是一個毫無意義的話題。

相比過去的USB應(yīng)用來說，USB type-c接口和USB PD協(xié)議顯然要復(fù)雜得多，能力也強得多，其實現(xiàn)形式也多種多樣，這就帶來不同產(chǎn)品之間的兼容性問題。2015年，相關(guān)組織和企業(yè)在美國進行了一次所謂的“插拔大會”，會上把各家?guī)淼漠a(chǎn)品放在一起進行相互的插拔試驗以檢驗其兼容能力，結(jié)果在離開的時候只有三家公司的6個樣品還活著，其他的樣品都在插拔過程中死掉了，這就給眾多的參與者提了一個醒，在參與這樣的應(yīng)用時應(yīng)該把安全放在第一位，否則，即使你的產(chǎn)品功能再好，一樣會在使用中很快死掉，最終也會退出市場，甚至可能讓你賠得傾家蕩產(chǎn)。

USB PD的應(yīng)用給使用USB type-c接口的應(yīng)用帶來了一個很大的變化，就是其接口上傳遞的電源電壓可以高達20V，電流可高達5A，最多可以傳送100W的功率給受電端使用，大大拓展了USB接口的應(yīng)用范圍。但是，USB type-c接口上的VBUS和CC端之間的距離太近了，它們實際上就緊靠在一起，如下圖所示：

這是USB Type-C插座的腳位分布圖，其中的VBUS就是最高電壓達20V（現(xiàn)在已經(jīng)擴展到21V）的承載端。CC1和CC2都是CC的備選端，其選中與否由插頭插入的方向決定，被選中者作為CC使用，成為設(shè)備與電纜及另一設(shè)備通訊交流的渠道，其信號的最高電壓為5V，剩下的另一個端子就成為VCONN端，供電端借此端子向電纜的內(nèi)部電路供電。

由于CC上的最高電壓為5V，很多接口器件就會采用比5V工作電壓稍高的設(shè)計和制程來制作，一旦VBUS和它短路，高電壓就會進入該端子，對內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損傷，從而造成設(shè)備故障。下面這幅圖算是對這個問題的形象化描述：

一個標準的USB Type-C接口控制器是非常簡單的，它要做的事情基本上就是用上拉電阻標識本端口所在的設(shè)備為供電端、用下拉電阻標識本端口所在的設(shè)備為受電端、為電纜提供VCONN電源、識別電流供應(yīng)/通過能力、確定電纜連接關(guān)系以及在完成接入識別以后開啟VBUS通道等，由于不涉及提高VBUS電壓，VBUS上的電壓最多就是5V，所以采用低壓制程是完全可以的，其電路聯(lián)通以后的模型大致示意如下：

下面是它們的具體實現(xiàn)示意圖：

這是供電端的，

這是受電端的。如果一臺設(shè)備既可以做供電端，又可以做受電端，則其電路模型就是這樣的了：

這種設(shè)備可以擔任兩種角色，實用中具體采用哪一種需要雙方進行協(xié)商或是人工進行選擇，這就要進行通訊，通訊是經(jīng)由CC通道完成的，其上傳遞的信息以BMC雙相編碼的方式進行，雙方溝通的語言就是USB PD規(guī)范所定義的協(xié)議了。

借助USB PD協(xié)議，供需雙方不僅可以商定各自的角色，也可以商定實際需要的電壓和電流的大小，因而為實際的應(yīng)用提供了巨大的方便，但也帶來了隱患：如果VBUS電壓已經(jīng)提高了而CC端的耐壓電壓只比5V高一點點，一旦兩者之間發(fā)生短路，損害的出現(xiàn)就是自然的了。

為了避免CC端因為和VBUS短路而造成損害，立锜科技的所有USB Type-C接口控制器和其它集成了該部件的器件都采用了高壓工藝來提高CC端的耐壓，它們?nèi)靠梢猿惺?0V以上的電壓沖擊。下面的波形圖展示了CC在工作過程中和20V VBUS發(fā)生短路的情形，由于CC端具有20V以上的耐受能力，短路狀況消除以后，信號又回到了正常狀態(tài)：

CC端為什么會和VBUS短路呢？除了上面提到的兩者相臨以外，這些因素也是需要考慮到的：使用者可能隨意地插拔、扭動接插件，有的人甚至可能是用很粗魯?shù)姆绞絹韺Υ鼈?，這都很容易直接造成短路事故或是破損，這種情形在接插件和電纜老化以后就更容易發(fā)生，因而是必須提早進行防范的。下圖所示資料就說明了立锜產(chǎn)品的防護能力：

在一個實際的系統(tǒng)中，通常不會只是存在我們已經(jīng)談及的電路部分，MCU的存在幾乎是必然的事情，實際上USB PD的應(yīng)用策略通常都是由它來制定的。如果MCU在發(fā)出指令使USB Type-C接口輸出20V的電壓以后的某個時刻就死掉了，事情將會如何發(fā)展？這種情形你在使用電腦的時候一定遇到過，這不就是“宕機”嗎？

一種很合理的推測是你的受電端可能在這個時候發(fā)生變化，例如它只需要一個5V的電壓了，這既可能發(fā)生在一臺設(shè)備的內(nèi)部，也可能發(fā)生在設(shè)備更換的時候，而處理電源輸入的電路可能就只能接受5V電壓，20V的電壓一定會讓它死掉，所以這個“宕機”的狀況很可能是一個災(zāi)難的開始。

對于這種問題，立锜的USB Type-C/PD控制器是這樣預(yù)防的：它定時向MCU發(fā)送中斷信號，MCU在正常情況下就會去響應(yīng)此中斷，例如它會詢問這控制器“你有什么事?。?rdquo;，這一問好了，USB Type-C/PD控制器知道MCU還活著，它就回答說“啊啊，沒事啊，我就是給你打個招呼問個好”之類的，然后繼續(xù)工作下去。如果MCU長時間不理會它，比如像下圖所示的200ms了還不響應(yīng)，控制器就主動斷掉輸出，把自身的狀態(tài)改變成受電端的狀態(tài)，同時把輸出端的儲能主動釋放掉使電壓降下來，使得任何設(shè)備接上去都是安全的，這樣就避免了系統(tǒng)“宕機”可能帶來的災(zāi)難性影響。

USB PD的應(yīng)用將USB總線的供電能力提高到了100W，如果在這種情況下出現(xiàn)VBUS和GND的短路，可能帶來的危險也是很大的，立锜的應(yīng)用方案又是如何破解此問題的呢？下面的應(yīng)用電路可以看到我們的做法：

這個電路的核心是RT1711P，是一款通過USB-IF認證的單端口控制器，其主要特性如下圖所示：

我相信很少有人會在這里去看一款產(chǎn)品的詳細信息，所以不想花時間去把里面的英文變成中文，有需要的請再給我信息，我用另外的方法來滿足你。

在上面的原理圖中，RT1711P的EN端的狀態(tài)是與VBUS的狀態(tài)有關(guān)的，當VBUS與GND短路時，EN端將變成低電平，這將使RT1711P復(fù)位成為SINK狀態(tài)，也就是受電端的狀態(tài)，同時VBUS路徑開關(guān)會關(guān)閉，確保短路狀況不會再造成任何危害。下圖是對此電路的更清晰描述：

實際上，在VBUS和GND發(fā)生短路的那一刻，為之供電的DC/DC會遇到負載突然加大的問題，其OCP功能會開始運作，由于電壓降低而帶來的UVP功能也會啟動，而電流的增長也會讓RT1711P本身的OCP功能被觸發(fā)，但此短路現(xiàn)象又會造成RT1711P本身的復(fù)位過程，到底哪一個先起作用，就看實際的過程是怎樣的了。了解了這一切以后，對于VBUS和GND的短路現(xiàn)象應(yīng)該就可以放心了，不會有什么東西會造成損壞。

相對而言，RT1711P是一個中等規(guī)模的USB Type-C/PD控制器，可以用在單USB接口的應(yīng)用中，此端口既可以作為DFP（下行端口），也可作為UFP（上行端口），也可以是雙重角色的端口（DRP）。如果你要設(shè)計的系統(tǒng)很簡單，你也可以選擇RT1711H，這是一款輕量級的USB Type-C/PD控制器，下面這幅圖是對它的簡介：

如果要設(shè)計雙端口的設(shè)備，RT1712會是更好的選擇，它可以同時完成兩個端口的管理，下圖是對它的簡介：

用它構(gòu)成的系統(tǒng)大概長成這個樣子：

在某些應(yīng)用中，要使用獨立的USB Type-C/PD控制器會造成系統(tǒng)太復(fù)雜，長期而言就不會有什么競爭優(yōu)勢，這時候就要將其功能和其他功能集成在一起而構(gòu)成單芯片的完整系統(tǒng)，下圖所示的電路就是這樣的示例：

這是AC/DC轉(zhuǎn)換器二次側(cè)的控制器，其中已經(jīng)集成了USB Type-C/PD控制器，MCU也被集成在其中，可以根據(jù)需要任意設(shè)計它可以支持的應(yīng)用協(xié)議，已經(jīng)在某些要求嚴格的廠商中得到應(yīng)用，下圖是由它和RT7786一起構(gòu)成的完整AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖：

電源網(wǎng)上已經(jīng)有由此方案構(gòu)成的產(chǎn)品的拆解資料，有興趣的可以去看看，其中的另一顆器件RT7786也算是一款爆品，下表列出來的是它的一些標準版本，可供讀者應(yīng)用時參考。

從中可以看到，RT7786能夠支持的保護功能也是非常多的，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選型配置，之所以能夠如此，完全得益于它是一款數(shù)字化的控制器的緣故，可以靈活改變其配置。

如果你對支持USB PD應(yīng)用的AC/DC轉(zhuǎn)換器要求不太高，或許你也可以選擇這樣的簡單設(shè)計：

這已經(jīng)被簡化了許多，那么這樣的應(yīng)用還可不可以簡化呢？答案是可以的，立锜還有很多產(chǎn)品可以滿足你的需求，可考慮到篇幅已經(jīng)夠大了，我就在這里打住吧，有需要的讀者請與我們的各個業(yè)務(wù)部門聯(lián)系，以便找到最符合自己需要的產(chǎn)品。