USB電源傳輸(PD)的引入大大提高了USB接口協議的功率能力，具有支持高達100W系統的潛力。隨著數據的傳輸，現在只需要使用一根電纜就可以為電子/電氣設備提供更大的功率。因此，使用的空間和安裝成本都可以降低。USB PD意味著電源方向不再固定。因此，根據具體情況，設備可以充當接收器（從VBUS獲取電源）或電源（通過VBUS提供電源）。設備可以利用PD規范來實現高功率應用程序，對連接的硬件進行枚舉。在那之后，他們可以提供必要的力量。充電直通裝置就是一個例子。

 

設計目標

 

有許多潛在的方法可以用來設計充電直通裝置。其原理是充電器的電源通過端口2傳輸到端口1，為連接的硬件（如筆記本電腦）充電。然而，這可以通過多種不同的方式實現，并且每種方式都有其特定的優缺點。

 

獲得vSafe5V

 

在本節中，我們將介紹兩種可用于vSafe5V實現的不同設計方法。在一種設計中，vSafe5V也從端口2通過，而在另一種設計中，vSafe5V是內部生成的。

 

圖1：通過端口2描述vSafe5V充電直通實現的示意圖

 

圖1中描述了從端口2通過的vSafe5V。當連接的硬件請求更高的電源配置文件時，端口2將協商相同的配置文件。一旦端口2完成協商過程，端口1將通知筆記本電腦電源已就緒。

 

這種方法的主要優點是保持了設計的簡單性，不需要使用內部5V發生器。然而，這條路線也有一些缺點。由于vSafe5V是直通的，因此電壓電平和電流容量將直接取決于端口2電源。如果輸入電壓接近PD規格的下限（4.75V至5.5V），則vSafe5V可能會低于端口1側的規格。這是由于通過電路的電壓降引起的。需要注意的另一個缺點是，高電壓協商過程必須在端口2側經歷額外的協商步驟。這可能有點耗時，因此有

 

可能超過PD定時規范。

 

圖2：板載vSafe5V直通實現的示意圖

 

另一個可用的選項是在板上生成vSafe5V，如圖2所示。在這種情況下，vSafe5V可以在完全遵循usbpd規范的情況下生成。這里顯示的示例使用筆記本電腦的接收器功能，并確定連接設備的最佳充電模式。然后通過端口2協商該配置文件，并在角色切換到端口1之前設置電壓級別。一旦切換到端口1完成，它可以設置連接硬件請求的更高配置文件，因為充電配置文件已在端口2上可用。

 

這種設計布局是有利的，因為可以預測vSafe5V的性能。原因是vSafe5V是內部生成的。此外，協商電壓不必在端口2上進行重新協商，這將加快所經歷的周轉時間。不過，這種方法有一個明顯的缺點需要得到承認。此類設計不能用于某些主機，即在多個配置文件之間切換的主機。基于FTDI工程團隊測試的各種主機和集線器，在不同制造商之間觀察到了電源協商的實現差異。

 

其他考慮因素

 

除了上面詳述的vSafe5V之外，在設計充電直通裝置時還需要考慮其他因素。其中包括：

 

1.VBUS放電-由于充電直通裝置最初將起到接收器的作用，因此工程師必須意識到VBUS放電的必要性。當設備作為源斷開連接時，它需要恢復到其作為接收器的初始角色。同時，VBUS必須在指定的時間段內跨整個通過路徑放電。

 

2.電壓降-必須將整個通過路徑上的電壓降降至最低。

 

為了確保局部放電系統中的電源路徑以有效的方式運行，使用了由直通局部放電裝置控制的負載開關。這種負載開關將包括通過晶體管（通常是帶開/關控制塊的MOSFET）。由于局部放電的充電電流可高達5A，因此必須記住負載開關中的漏源導通電阻（RdsON）必須較低，這樣所涉及的功率損耗不會太大，端口1處的電壓保持在局部放電規格范圍內。

 

3.浪涌電流限制-當充電器連接到端口2，充電設備連接到端口1時，如果電容性負載切換到電源軌上，可能會產生浪涌電流。浪涌電流的大小將取決于電壓上升的上升時間和負載電容。陡峭的電壓斜坡將增加浪涌電流，并導致VBUS中出現瞬時下降。這可能會導致連接的硬件自行復位，這需要避免。除了影響連接硬件的功能外，這種情況還可能損壞或縮短負載開關組件的工作壽命。雖然大的負載電容會降低暫態電壓降，但會增加勵磁涌流。因此，必須對負載開關進行轉換率控制，以延長電壓斜坡的上升時間，并優化負載電容以限制VBUS中的涌入電流和下降。在負載開關上進行轉換率控制的另一個好處是，作為過流保護措施（由于存在高浪涌電流），可以防止充電器關閉直通裝置的電源，因為這顯然會導致局部放電充電中斷。

 

4.內部功耗-出于內部功耗的目的，顯然需要從充電模式中扣除一定的功率。在確定系統的運行參數時，需要考慮到這一點。

 

結論

 

具有直通能力的PD設備的總體設計目標是確保在各種各樣的USB PD主機或集線器之間順利連接和供電。如果工程師確保他們完全了解本文中討論的所有項目，那么他們將能夠實現這一目標。FTDI提供了支持USB電源傳輸系統開發所需的先進雙端口IC技術，如上文所述。該公司的電力傳輸集成電路允許硬件從一個接收器切換到一個源，而不會出現任何數據流中斷。