了解这个改变生活的技术: 4 of 5

USB PD 采用经过千锤百炼的技术标准,实现了安全性和便利性。因此,制作支持USB PD的产品时,必须先仔细阅读并理解技术标准,然后按照标准制造产品。这是一件费心费力的事情,但请您放心,只要使用瑞萨所提供的解决方案,即可轻松地制造出支持USB PD的产品。

两种核心设备

可利用根据标准设计出的安全电器,来实现USB PD的便捷功能。此前,我们曾向大家说明了USB PD标准是如何确保安全的,而它所具备的强大的电器间认证功能C-AUTH又是如何防伪的。

尽管USB PD充分考虑了安全问题,便利性也很高,但它十分复杂。如:USB PD在供电端和受电端之间进行通信,决定角色、电力等(电压、电流等)。在获取了通信与信息等之后作出判断之前,需要在多个阶段进行处理。此外,电器间认证C-AUTH也需要进行暗号处理、电子证书处理等。另外,为确保安全性,必须时刻监控过电压、过电流、过热状态,发现异常时须按标准所规定的方式进行处理。要将这一系列处理全部从头到尾正确完成绝非易事。

于是,瑞萨准备了以2种核心设备——USB PD控制器IC和USB PD专用电源IC为中心的解决方案。USB PD控制器IC负责进行USB PD所需的信息处理。USB PD专用电源IC是一种高效率电源IC,能够输出4种根据功率规则所决定的供电压(5V、9V、15V、20V)。使用这2种IC,即可设计出支持USB PD的产品。标准中许多部分的实现都可以依靠IC来完成。

支持C-AUTH的决定版“R9J02G012”

R9J02G012是瑞萨于2017年5月发表的最新型USB PD控制器IC(图1)。它不仅支持USB PD标准USB PD2.0,还支持最新标准USB PD3.0;不仅能进行USB PD供电的基本动作,还能实现像“FRS(Fast Role Swap)”那样独具特色的功能——瞬间切换供电端和受电端的角色(Role)。

R9J02G012通过USB Type-CTM的CC Pin,与连接的USB PD控制器进行通信,并作出各种决定。其中具有代表性的有:决定己端的角色,是成为供电端还是受电端;若是供电端,决定其功率规则,要提供多少V的电压与多少A的电流。决定好角色与电力,电力的供给和接受开始并不意味着已经大功告成了。还要根据角色对过电压、过电流、过热状态进行监控。一旦发现异常,须采取标准所规定的措施,防止故障扩大。

R9J02G012的最大特点在于它可以单独支持C-AUTH。既可以作为C-AUTH启动器,也可以作为C-AUTH响应器进行动作。R9A02G011等以往的控制器IC是通过外置安全微型控制器来实现C-AUTH的,因此基板面积较大。然而,R9J02G012是通过内置安全微型控制器功能来实现同一功能的,因此实际安装面积缩减到了以往的50%以下。

支持C-AUTH的R9J02G012的实际安装面积已经变得足够小了,因此它不仅适合内置于USB PD设备,还适合内置于支持USB PD的电缆线中。支持USB PD的电缆线被要求必须配备eMarker功能,通过使用R9J02G012,还可轻松实现以电缆线作为电器间认证对象的系统。R9J02G012内置了闪存,就算产品标准发生了变更,只需重写闪存的内容,即可轻松实现支持。

图1:瑞萨的USB PD控制器IC R9J02G012支持C-AUTH功能,并可活用于多个领域

图1:瑞萨的USB PD控制器IC R9J02G012支持C-AUTH功能,并可活用于多个领域

节省空间型电源IC“RAA230161”

RAA230161是一种DC-DC转换器IC,可产生USB PD所必需的4种电压:5V、9V、15V和20V。内置了电力控制用MOSFET,最大可输出高达60W(电流为3A)的电压。电源效率高达95%,可制造出抑制发热的产品。以往,人们使用4种DC-DC转换器来支持4种电压。通过将4种DC-DC转换器合为一体,可以将以往由一个个零件组成的基板面积减少一半。

RAA230161内置的保护电路不仅有过电压、过电流与过热状态,还有短路保护(short-circuit protection)、看门狗计时器等。当RAA230161的输出电压急剧降低时,短路保护将判断为发生了短路(short),并停止供电。可防止由于电缆线短路持续产生大量电流,造成部件过热。看门狗计时器每隔一定时间会启动监控功能,对系统是否处于异常状态进行监控。当系统发生异常时,它会发出用于重置系统的信号。将RAA230161与之前提到的R9J02G012组合在一起使用,可有效缩减基板面积,并大幅缩短开发周期。当然也可以与R9A02G011等其他USB PD控制器IC组合在一起进行使用(图2)。

图2:RAA230161可输出USB PD必需的4种电压,最大可提供60W的电力

图2:RAA230161可输出USB PD必需的4种电压,最大可提供60W的电力

还有支持充电管理、PPS等的IC

瑞萨集团公司——美国Intersil公司上市了一款专门使用USB PD进行充电的IC。Buck-Boost Charger IC (BB Charger)是一款既支持升压,又支持降压的DC-DC转换器IC,输出电力范围广,可控制1~4个单元的锂电池充电。通过USB PD接受所提供的电力向锂电池充电时,就轮到这个IC大显身手了。这个BB Charger不仅对电源适配器等的输入电压的异常进行监控,还能监控充电电池的电压是否出现异常,并对其进行保护。此外还内置了可以避免过电流及过热状态的保护装置。

Bi-Directional Buck-Boost Voltage Regulator(BB VR)是一款最大可提供20V电压的调压器,既支持升压,又支持降压。上次我们向大家说明了可以对供给电压和电流进行精细控制的PPS(Programmable Power Supply)。支持该功能的调压器,可以按要求改变电压和电流。PPS的优点在于可为受电端精准地提供所需电压,以此抑制受电端处的变换损失和多余的发热。

此外,还支持USB PD的特点之一——FRS,即使装置的角色发生了变化,也能立即实施相应动作。如:假设此BB VR内置于PC中,将USB PD提供的电力变换为用于PC内部的电压。此时PC为受电器。但是,一旦发生停电,PC就会从内置的电池向外部供电。也就是说,PC从受电端变成了供电端。之前一直是从外部电源向PC方向进行供电,但此时PC成为了供电端,可向外部方向进行供电。这时,必须变换成USB PD所需的电压。由于BB VR是具有双向性的IC,因此支持调整电压方向的角色转换,当然也配备过电压、过电流、过热状态的保护功能。此外,还具有欠压保护功能,也可以对电压降低到规定数值以下的情况进行处理。

如上所述,瑞萨准备了可用于USB PD的各种IC。在下期的本系列最终篇中,将向大家说明使用这些IC进行供电器和受电器的开发。

下载USB PD 控制器IC R9A02G011 用户手册

(除了一些安全功能外,与R9J02G012的方法几乎一样)

了解这个改变生活的技术

  1. 更加便利的USB供电
  2. 实现安全性与便利性的技术
  3. 通过规格对USB PD的安全性进行保护
  4. 把USB PD交给瑞萨的解决方案吧!
  5. 用瑞萨的解决方案实现快速开发

文档和下载

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使用指南与说明
R9A02G011 User's Manual: Hardware 手册 PDF 1.22 MB