為專案加上PD供電|使用HUSB238製作超小PD誘騙器

PowerDelivery是USB開發者論壇在2012年發布的USB充電標準與技術,現在被應用在手機,平板,筆記型電腦以及各種大小型裝置上,達到“一統江湖”的決心。他的特色是可以提供高達100W的電源,讓許多Maker擺脫過去5V/2A的束縛,產生更多可能性。今天就跟著我來設計小型的Type-C誘騙器,一同享受科技帶來的便利!{alertInfo}

目錄

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    前言

    PowerDelivery雖然早在2012年由USB開發者論壇發布,但在當時並沒有被廣泛採用,除了當時Type-C型態的連接器精密且昂貴之外,由於Type-C支援高速訊號傳輸,但連接器卻不需要經過訊號完整性的認證,導致發展緩慢。一直到2015年後才陸續開始有商用的產品問世,如Apple的 Macbook Air, Google Nexus 5X, 以及第一支搭載Type-C介面的手機 樂視超級手機Le 1 Pro(沒錯,這是中國真的是第一)。接著TypeC的世界就開始蓬勃發展。但當時大功率的快充卻也沒有這麼快普及,頂多9V/1.67A的QC2.0充電協議就已經是很潮了。
    一直到2017年左右,TypeC裝置的出貨量才有明顯的增加,一直到2021年有約50億的出貨量。

    Image Source: EPSNews

    PD快速知識

    PD裝置利用Type-C連接器的CC1與CC2腳位與電源供應器進行通訊。首先受電端會詢問供電端能提供的最大電壓與電流,供電端傳送PDO(Power Data Object)後,受電端依據PDO在傳送RDO(Request Data Object),告訴給供電端想要的電壓。過程如下圖

    市面上的誘騙器說穿了就是傳送PD訊號的IC,有人用STM32的MCU來達成這件事,但市面上也有更多現成的USB PD通訊晶片可以達成這件事。像TI的TUSB564, STM的STUSB4500, 還有今天要介紹來自Hynetek的HUSB238。

    HUSB238

    HUSB238是一顆由慧能泰半導體生產的晶片,主要應用在小型化的PD Sink設備上。我選用最小的DFN-10封裝,缺點是焊接比較不容易,但他能夠很小的放在Type-C連接器旁邊,也不需要太多額外零件。他的應用電路也非常簡單,最少只需要一顆電容跟三顆電阻就結束了!首先在晶片Vcc的地方串連一顆10 Ohm電組與濾波電容到Vbus,就不需要額外的電壓來驅動,因為這隻腳可以容許5-20V的電壓直接輸而不會被擊穿。依照datasheet的應用線路,我在Kicad上畫了一張我的版本。其中有多用一顆PMOS來進行後端電路保護,上面TP3是要方便使用者接線的零件。

    這顆晶片要設定抽取的功率也很簡單,用兩顆電阻R2與R3設定需要的電壓跟電流。當設備連接到充電器後,晶片就會自動向充電器要求設定好的電壓。
    然後我再把這個電路做成Layout,接著拿去JLCPCB製作電路板。有沒有注意到板邊有六個圓點,後面也有兩個點,這八個點前面六個是固定孔,間隔剛好是2.54mm的倍數,為的就是可以奴速安裝在洞洞版上不需要額外鑽孔,大大提升Maker在開發原型機的時候的方便性。後面兩個則是帶電性的+Vbus與GND,整個專案的電源就從這邊來引出。

    我愛用KiCad還有一個大原因是,有開源社群的幫忙不需要手動製作3D模型就可以得到美美的電路模型,看了都很賞心悅目

    這顆晶片也被Adafruit應用在PD受電模組上。依據官方手冊說明,他支援PD3.0, Type-C 1.4 以及Apple Divider 3等協議,但我實際測試後發現,似乎沒辦法向台達與蘋果生產的大功率充電器進行通訊,電錶上仍然維持在5V而不是設定的20V。但紫米的充電器跟手邊的行動電源是可以要求20V輸入電壓的。

    總結

    HUSB238是一顆需要超少零件就能夠工作的PD通訊晶片,不需要額外的分壓電路就可以工作,同時透過電阻就能設定要跟充電器要求的電壓與電流。接著用KiCad把電路圖畫好後,依照Maker常用的2.54mm間距做了一個可以嵌入在洞洞板上的快充模組,讓樣機設計有更多的可能性。
    但是經過實測,沒有辦法跟台達與蘋果的充電器通訊成功,會維持在5V電壓,接下來設計會使用STUSB4500來做設計,雖然他需要的周邊零件更多,但從評估版的實驗來看,相容性應該會比HUSB238更好。

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    參考資料

  1. 逐一掃除技術/成本/相容性障礙 USB Type-C穩步打江山 - 陳玉鳳 新通訊元件雜誌
  2. Here are the world's first USB Type-C 'Superphones' from China
  3. USB Type-C Adoption Keeps Growing Across Industry Segments
  4. USB Type-C Power Delivery Sink Controller HUSB238 datasheet - Hynetek
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