深度剖析TSU8111：一款集成充電器的USB 2.0高速開關(guān)芯片

在電子設(shè)備的設(shè)計中，USB接口的應用無處不在，而如何高效、穩(wěn)定地實現(xiàn)USB信號的切換以及電池充電功能，一直是工程師們關(guān)注的重點。今天，我們就來深入剖析德州儀器（TI）的TSU8111芯片，它是一款集成了線性充電器的雙單刀雙擲（SP2T）微USB開關(guān)，為便攜式設(shè)備的設(shè)計提供了出色的解決方案。

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1. 芯片概述

TSU8111專為便攜式設(shè)備（PD）通過微型USB連接器與外部外設(shè)進行接口而設(shè)計。它具有以下顯著特點：

• 雙SP2T USB 2.0高速開關(guān)：能夠?qū)崿F(xiàn)USB信號的靈活切換，支持UART或USB 2.0高速信號。
• 集成單節(jié)充電器：最大可編程充電電流可達950 mA，無需外部充電器IC，降低了成本和電路板空間。
• 多種檢測功能：可檢測符合BCv1.1標準的充電器以及使用ID電阻的附件。
• I2C接口控制：支持自動檢測和手動控制兩種模式，方便用戶根據(jù)需求進行配置。

2. 應用領(lǐng)域

TSU8111適用于多種便攜式設(shè)備，如手機、上網(wǎng)本、筆記本電腦、平板電腦和便攜式手持設(shè)備等。在這些設(shè)備中，它可以實現(xiàn)USB信號的切換、附件檢測、充電器檢測以及電池充電等功能，為設(shè)備的正常運行提供了有力保障。

3. 詳細特性分析

3.1 線性充電器

TSU8111的線性充電器具有充電電流可調(diào)節(jié)的功能，范圍從200 mA到950 mA。其充電過程如下：

• 預充電模式：當電池電壓$V{BAT}$低于預充電閾值$V{PRECHG}$（2.5 V）時，設(shè)備以90 mA的充電電流進行預充電。
• 快速充電模式：當$V{BAT}$達到$V{PRECHG}$后，設(shè)備切換到快速充電模式，并采用軟啟動方式。
• 恒壓充電模式：當$V{BAT}$接近設(shè)定電壓$V{SET}$時，充電器進入恒壓充電模式，以編程的調(diào)節(jié)電壓進行充電。
• 充滿檢測：當充電電流達到編程的滿充電流時，TSU8111會向主機發(fā)出中斷信號，表示電池已充滿，并啟動充電器關(guān)閉定時器。

3.2 電壓保護

• 過壓保護：當$V{BUS}$超過過壓保護閾值$V{BUS(OVP)}$時，線性充電器關(guān)閉，切斷電路電源。當輸入電壓回到$V{BUS(OVP)}-V{BUS(OVP(hys)}$以下且高于$V_{BUS(UVLO)}$時，充電器重新開啟。
• 欠壓保護：當$V{BUS}$和$V{BAT}$低于欠壓保護閾值時，TSU8111關(guān)機。只有當$V{BAT}$高于2.5 V且$V{BUS}>3.7 V$，$V{BUS}-V{BAT}>250 mV$時，設(shè)備和充電器才會開啟。

3.3 電源復位

• 上電復位：當$V{BAT}$上電時，內(nèi)部上電復位將TSU8111置于復位狀態(tài)。當$V{BAT}$達到$V_{POR}$時，$I^{2}C$寄存器和狀態(tài)機初始化到默認狀態(tài)。
• 軟件復位：通過將SDA和SCL保持低電平至少30 ms，然后向寄存器1Bh的第0位寫入1，可實現(xiàn)軟件復位。

3.4 設(shè)備功能模式

• 待機模式：上電后的默認模式，當沒有附件連接時，設(shè)備處于待機狀態(tài)。此時，VBUS和ID線通過比較器持續(xù)監(jiān)測，以檢測附件的連接。
• 自動切換模式：TSU8111通過檢測ID引腳的電阻值來確定附件類型，并自動切換USB開關(guān)矩陣。具體的附件類型和對應的開關(guān)狀態(tài)可參考附件和充電器檢測查找表。
• 手動切換模式：通過將寄存器02h的第2位寫為0，可啟用手動切換模式。此時，DP和DM的開關(guān)狀態(tài)可通過向寄存器13h [7:2]寫入數(shù)據(jù)來控制。

4. 編程與寄存器配置

TSU8111通過雙向$I^{2}C$總線進行通信，通信過程包括起始條件、設(shè)備地址發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸和停止條件。在編程時，需要注意以下幾點：

• 寫入操作：發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯0，然后發(fā)送命令字節(jié)，確定要寫入數(shù)據(jù)的寄存器。
• 讀取操作：先發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯0，確定要訪問的寄存器；然后重新發(fā)送設(shè)備從地址并將LSB設(shè)置為邏輯1，讀取寄存器中的數(shù)據(jù)。

芯片的寄存器映射包含多個寄存器，每個寄存器的不同位具有不同的功能。例如，控制寄存器（02h）可用于設(shè)置開關(guān)模式、數(shù)據(jù)讀取方式和中斷掩碼等；中斷寄存器（03h和04h）可用于檢測各種事件，如VBUS檢測、過壓檢測和附件連接/斷開等。

5. 設(shè)計與布局建議

5.1 電源供應

TSU8111有三個電源輸入引腳：VBAT、VBUS和VDDIO。每個引腳都需要適當?shù)娜ヱ?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/電容/" target="_blank">電容來平滑電壓噪聲。具體來說，VBAT和VBUS引腳需要0.1 μF和1 μF - 10 μF的去耦電容，VLDO引腳需要1 μF的負載電容。

5.2 布局準則

• 靠近USB連接器：將TSU8111盡可能靠近USB連接器，以減少雜散噪聲的影響。
• 去耦電容靠近芯片：去耦電容應盡可能靠近芯片，以降低ESR和紋波的影響。
• 控制走線長度和寬度：所有走線長度應小于2英寸，USB走線寬度對于1 oz銅厚度至少為15 mils。
• 優(yōu)化過孔使用：在VBUS、VBAT和GND上增加過孔數(shù)量，以降低布線電阻和提高熱性能；減少USB走線的過孔使用，以保持USB信號完整性。
• 匹配阻抗：所有USB走線應具有45 Ω的單端阻抗和90 Ω的差分阻抗，以滿足USB 2.0的要求。

6. 總結(jié)

TSU8111是一款功能強大、性能穩(wěn)定的USB開關(guān)芯片，它集成了線性充電器，為便攜式設(shè)備的設(shè)計提供了一站式解決方案。通過合理的設(shè)計和布局，工程師可以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、可靠的USB信號切換和電池充電功能。在實際應用中，我們還需要根據(jù)具體的需求和場景，對芯片的參數(shù)和配置進行優(yōu)化，以達到最佳的性能表現(xiàn)。

你在使用TSU8111芯片的過程中遇到過哪些問題？或者你對芯片的某個特性有更深入的見解？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。