正我们生活在一个不断变化的时代,人们普遍一致地感觉到的是进步而不是混乱。新兴技术可能确实具有颠覆性,包括5G和人工智能,因此很容易理解它们为什么会受到大量关注。当它们各自单独发展时,它们可能会被认为不着边际。然而,对于那些更贴近的发展,很明显,它们将促成下一代应用领域,如自动驾驶和一个更智能的物联网(IoT)。与此同时,在熟悉的领域也在发生其他重大变化,包括更成熟的技术。其中包括USB。
USB-C 接口正在彻底改变我们连接电子设备的方式。得益于高速数据传输和高功率传输，USB-C 端口的采用率快速增长，USB 功率传输（PD）3.0 和 USB-C 规范也在日趋成熟。不过，消费电子 OEM 厂商迅速采用 USB Type-C 作为其标准电源和数据连接时依然面临诸多挑战。
什么是快速角色交换（FRS）？
FRS 的目的是在集线器上游端口（UFP）停止供电时，防止具有 USB PD 功能的集线器及其所有降压供电的附件发生数据通信中断。在典型设置中，便携式计算机和 LCD 监视器连接到 USB 集线器，如图 1（上图）所示；电源适配器连接至 USB 集线器并为其供电，直到发生 FRS。USB PD 集线器正在为 USB 设备（例如闪存驱动器）供电，而 USB PD 主机便携式计算机则消耗电能。
图 1（下图）显示了断电后的系统功率。在这种情况下，USB PD 集线器会识别出它已经断电，并通过配置通道（CC）线路将 FRS 信号从集线器双角色端口（DRP）发送至主机 DRP。USB PD 主机监控 CC 线路并检测 FRS 信号，随后将其角色从用电器切换到电源，集线器 DRP 开始消耗电能。在 FRS 发生期间，USB 从属闪存驱动器和监视器继续工作，不会受到断电的影响。
图 1，当电源存在（上图）和拔出（下图）时的系统功率流。
FRS 为电源设计带来新的挑战
FRS 的工作原理很容易理解，但满足 FRS 规范并不容易，主要有两方面：
1. 时间要求，定义为参数 tSrcFRSwap，必须小于 150us。此为从 Vbus 下降到 vSafe5V 电压以下，直到新的电源为 USB Type-C 供电的时间。
2. 各种情况取决于 Vbus 电压是高于 vSafe5V 还是等于 vSafe5V。如果旧的 Vbus 电压高于 vSafe5V，则新电源将等待 Vbus 衰减到 vSafe5V 的窗口，随后启动 Vbus 电压调节，并保持在 vSafe5V 规格范围内；或者，如果先前的 Vbus 电压为 5.0v，则新电源必须在接收到 FRS 信号后开始调节 Vbus。缺少新的电源缓冲时间是一项挑战。
移动计算中的 FRS
便携式计算机在每个 USB-C 端口上使用 USB PD 控制器来检测 FRS 信号并通知嵌入式控制器（EC）。图 2（左图）显示了 FRS 的典型电源解决方案。检测到 FRS 事件后，降压 / 升压充电器通过进入仅电池模式来停止操作。同时，使用来自电池组的输入启用 5V DC/DC 转换器，并将其 Vout 转移至 DRP 端口，从而使 Vbus 保持在 vSafe5V。该解决方案可能需要一个额外的 5V DC/DC 转换器和电源路径控制，以将电池电源通过 5V DC/DC 路由至 DRP。
图 2（右图）展示了一种新的解决方案，该解决方案在 vSafe5V 下反向操作降压 - 升压电池充电器以调节 Vbus。由于结构对称，电池充电器能够进行正向和反向操作。与典型方案（左图）相比，新方案（右图）消除了 5V DC/DC 转换器，包括电源路径选择器和开关。最重要的是，降压 - 升压型充电器的快速控制回路转换能够在 150us 内将其操作方向从正向改变为反向，包括 EC 和电池充电器通信。此外，新的解决方案在 FRS 事件发生后可无缝提供完整的 5V-20V 的 USB On-the-Go（OTG），而典型解决方案则不能。
图 2，左图：FRS 的典型电源解决方案；右图：FRS 的新型电源解决方案
USB PD 3.0 的 FRS 功能可实现不间断的电源传输和连续的系统运行， FRS 强化了 USB Type-C 的目标，提供灵活的连接接口以支持直流供电和高速数据传输。移动计算设备可利用降压 - 升压电池充电器来支持 FRS 事件，而无需额外的 DC/DC 或电源路径，同时满足 USB Type-C 规范要求。
关于作者
梁志刚，瑞萨电子美国公司电池与光学系统部电池充电器产品的技术营销经理，拥有北卡罗来纳州立大学电气工程博士学位。
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