安森美半導體單電感H橋升降壓電源控制器NCP81239的特點及應用

USB Type-C和Quick Charge（QC）是當前市場兩大新的供電標準，也是市場趨勢。這兩大標準的共同特點是輸出電壓需要調(diào)節(jié)。安森美半導體推出的單電感H橋升降壓電源控制器 NCP81239可以適配寬輸入電壓范圍和寬輸出電壓范圍，特別適合用于USB Type-C或QC 3.0等需要根據(jù)用電設備要求進行電壓調(diào)節(jié)的應用。芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器（MCU）配合進行輸出電壓的步進調(diào)整，且可在同一個Type-C端口實現(xiàn)多種快充協(xié)議如 USB PD Type-C、QC 2.0/3.0，能對接蘋果Lighting 接口快充協(xié)議，和三星接口快充協(xié)議等。

USB Type-C和Quick Charge概覽

1． USB Type-C

電子產(chǎn)品如電腦、手機、數(shù)碼相機等經(jīng)常需要與其它電子設備進行互聯(lián)來傳輸數(shù)據(jù)或提供電源，然而各種不同規(guī)格的適配器和線纜，給使用帶來很大不便，同時也增加旅行包的重量。為了減少線束數(shù)量和不必要的浪費， USB Type C接口標準應運而生。USB Type C 接口的目標是將不同電子設備之間的互聯(lián)采用統(tǒng)一的接口，同時可以提供電源和傳輸數(shù)據(jù)，也支持音視頻和客戶個性化的通信協(xié)議。USB充電技術(shù)演進如圖1所示。

圖1：USB充電技術(shù)演進

USB PD支持不同功率等級的供電，啟動時默認支持5 V@2A，可根據(jù)需要調(diào)至18 W、36 W、60 W、100 W等，需要電纜支持1.5 A以上電流，更大功率輸出需要調(diào)整輸出電壓到較高的值，以保證電纜電流不會超過規(guī)格。此外，USB PD協(xié)議也支持額外的功率和電壓選擇。

2．Quick Charge

Quick Charge 是高通為了支持手持設備快速充電而開發(fā)的技術(shù)， 通過提升輸出電壓來減低電纜和接頭上的損耗來增大輸出功率，通過USB 信號線D+、D-的不同狀態(tài)來設定輸出電壓。QC 3.0標準支持200 mV/階的電壓調(diào)節(jié)，來優(yōu)化手持設備充電部分的轉(zhuǎn)換能效，降低溫升。

NCP81239的功能特性及工作原理

NCP81239支持寬輸入電壓范圍，提供從150 kHz至1.2 MHz動態(tài)可編程的開關(guān)頻率，集成4個MOSFET驅(qū)動，采用雙沿電流模式控制，支持輸出預偏置啟動，自適應死區(qū)時間控制防止直通，具有獨立的輸入和輸出電流檢測，輸出電壓（范圍0至20V）可以通過I2C 編程，集成過壓、欠壓、過流和精確的過載保護等完善的保護功能，同時還提供對5 V Vconn電源的保護。

圖2：NCP81239典型應用電路圖

NCP81239采用雙沿電流模式升降壓控制，可實現(xiàn)降壓模式到升壓模式的無縫切換。I2C接口僅用兩條信號線實現(xiàn)雙向串行通信，開漏極的連接可以方便的在不同邏輯電平間接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V邏輯電平的MCU。

輸入輸出電流可以通過高邊的檢測電阻進行檢測，檢測到的電壓分為內(nèi)部和外部兩個通道：內(nèi)部電流信號用于電流模式的環(huán)路控制和限流保護，過流保護可以通過內(nèi)部寄存器進行設置或屏蔽，內(nèi)部固定增益為10倍，內(nèi)部電流值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）存入對應的寄存器，可以通過I2C讀??；外部電流信號可以被MCU讀取執(zhí)行相應的軟件操作，外部的阻抗可以設定電流測量的量程，電流檢測運放跨導為5mS，外部也可以接電阻電容將電流信號濾成平均值。

NCP81239內(nèi)置4通道7位ADC，可實現(xiàn)輸入、輸出之間的A/D轉(zhuǎn)換，相應的值可通過I2C讀取內(nèi)部寄存器的方式進行讀取。內(nèi)部的反饋參考電壓通過9位的DAC進行設定，參考電壓范圍為0 V到2.55 V，輸出電壓范圍同時可以通過外部的分壓網(wǎng)絡進行設定。由于內(nèi)部步長有9位ADC，步長比較小，所以便于用MCU I2C接口進行設定補償電纜壓降，從而使負載端電壓可保持在設定值的誤差范圍內(nèi)，非常適合QC3.0 或USB PD等需要調(diào)壓的場合。

在USB PD、QC2.0、QC3.0等規(guī)格下，如需對輸出電壓進行動態(tài)的設定，會涉及到調(diào)壓速率。如果調(diào)壓速度過快會導致電感電流過沖，輸出電壓過沖或下沖。NCP81239內(nèi)置寄存器，可通過I2C接口設置，從而控制調(diào)壓時電壓上升和下降的斜率。

NCP81239通過RS1檢測輸入的峰值電流來進行正向過流保護，限流模式為逐波加打嗝模式。無論在降壓模式還是在升壓模式，在一個周期中檢測到過流時，會立即關(guān)斷Q1限制輸入功率。如果逐波限流的時間達到2mS或FB電壓低于300毫伏，則進入快速關(guān)斷模式，同時關(guān)斷4個開關(guān)，10 mS 后會重新軟啟動到原來設定的輸出電壓和電流。過流保護值可以通過I2C或電流檢測電阻進行設定，電流檢測電阻的選擇要保證CSP1-CSN1的電壓在過流時也不要超過100mV的運放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測電阻，對應的峰值過流保護值如下表，默認值7.6 A。

表1：5 m?檢測電阻對應的峰值過流保護值（正向過流保護）

對4開關(guān)同步整流的升降壓控制在輕載模式、重載到輕載的轉(zhuǎn)換過程、輸出過壓保護、輸出從高電壓向低電壓調(diào)整過程中會有反向電流產(chǎn)生。CSP2/CSN2用于反向電流的檢測，當反向電流超過限流設定值時，如果輸出電壓在設定電壓范圍內(nèi)，Q4會立即關(guān)斷防止反方向電流繼續(xù)增加。如果是在在降壓模式下，Q2關(guān)斷時Q4會重新導通。過流保護值可以通過I2C或電流檢測電阻進行設定，電流檢測電阻的選擇要保證CSP2-CSN2的電壓在過流時也不要超過100mV的運放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測電阻，對應的峰值過流保護值如下表，默認值-8 A。

表2：5 m?檢測電阻對應的峰值過流保護值（反向過流保護）

當輸出電壓高于設定值110%，時間超過一個開關(guān)周期，NCP81239會進入過壓保護模式。過壓保護時，S1關(guān)斷，S2導通，S3和S4會交替導通將輸出電壓放電，同時防止反向電流超過設定的反向保護電流值。在輸出過壓故障下，開關(guān)頻率會降到50KHz，防止電感飽和，同時降低功率管上的功耗。

圖3：輸出過壓保護圖示

傳統(tǒng)的同步整流控制在輸出有預偏置電壓時啟動，輸出會先放電然后上升。NCP81239在輸出有預偏置時，啟動時會工作在非同步整流模式，不會對輸出放電，適合用于電池負載的場合。

輸出電壓在設定值+/-5%以內(nèi)，延遲3.3mS后會發(fā)出Power Good 信號。如果輸出電壓超出設定值的+/-7 %超過一個開關(guān)周期，Power Good 寄存器復位，輸出中斷信號。

NCP81239支持4個I2C地址，可以根據(jù)客戶的需要在芯片出廠前進行配置，默認型號的I2C地址為E8h/E9h。

此外，NCP81239自身有過熱保護，芯片結(jié)溫超過150度，會關(guān)斷外部的4個開關(guān)，溫度降至125度后會重新啟動。

參考設計

安森美半導體提供采用NCP81239的60 W車充、筆記本電腦外接擴展塢、臺式機應用、具有Type-C接口的插線板等參考設計，可實現(xiàn)小體積、高能效，滿足在USB PD和Quick Charge規(guī)格下的不同應用需求。

總結(jié)

Type-C接口正在成為電子產(chǎn)品間互聯(lián)的單一接口，大功率USB PD不同的電壓和功率需要對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。安森美半導體的NCP81239 具有的特色功能和完善的保護功能使其非常適合用于需要寬電壓輸入、可調(diào)電壓輸出的高可靠應用，如USB PD和Quick Charge 以及電池充電，其獨特的控制模式實現(xiàn)了高效的升降壓轉(zhuǎn)換，最高1.2MHz的工作頻率可以實現(xiàn)小型化的設計。

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