解析充電用 Buck 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) CV/CC 控制的方法

進入主題之前，先介紹一張原理圖及其涉及到的器件，我們的主題也將以其中用到的核心器件的特性為藍本。如果你要設(shè)計帶有 USB-C 型接口的電子設(shè)備，同時需要這個接口能識別各種不同的設(shè)備來源并以正確的方式向其供電或?qū)ζ鋬?nèi)部電池進行充電，參考一下這幅圖就是很有價值的。

圖中的核心元件 RTQ2115C 由 C 型 USB 下行端口控制器、充電端口控制器、USB 2.0 高速數(shù)據(jù)線開關(guān)及 36V、3.5A 同步 Buck 轉(zhuǎn)換器共同組成，它可對使用 USB-C 型接口的設(shè)備接入事件進行檢測并安排對其實施供電操作，完全符合當下的應(yīng)用發(fā)展方向。

當符合 USB 2.0 BC1.2 和信產(chǎn)部 YD/T1591-2009 標準以及采用 Divider3 及 1.2V 模式的設(shè)備接入時，它可通過數(shù)據(jù)線的 D+/D- 對其進行檢測并自動判定其遵守的規(guī)格，自動安排與其規(guī)格相符的供電操作以實現(xiàn)其充電過程，這一特性使其可以和歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過的絕大部分便攜式設(shè)備兼容，使你的設(shè)計具有極其普遍的適應(yīng)性。 RTQ2115C 內(nèi)含的同步 Buck 轉(zhuǎn)換器可在 3V~36V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，最高可以耐受 42V 的電壓沖擊。其額定工作頻率為 2.1MHz，可接受 300kHz~2.2MHz 的外來同步信號控制其工作節(jié)奏。

當其以自身時鐘作為工作頻率的來源時，一個外來的邏輯信號即可控制其進入頻譜擴展工作模式，可大大減輕電磁兼容問題的處理難度，這種模式下的工作頻率將在 2.1MHz~2.1MHz+6% 的范圍內(nèi)隨機跳動。

負載很輕時，其工作模式可選擇為 PSM 或 FPWM，可分別滿足高效率和高輸出電壓調(diào)整率的應(yīng)用需求。其輸出采用 CC/CV 控制方式，輕載時工作于 CV 模式，重載時進入 CC 模式，非常符合充電應(yīng)用的需求，同時還能用纜線壓降補償功能對長線傳輸帶來的電壓降進行補償，避免在負載端的電壓出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

RTQ2115C 的引腳布置是經(jīng)過 FMEA 即失效模式及其影響分析的結(jié)果，相鄰引腳出現(xiàn)短路時具有特別的保護功能可避免出現(xiàn)冒煙、燃燒等嚴重問題。其封裝引腳具有側(cè)面可潤濕能力，焊接時流動的焊接材料可以將其側(cè)面也包裹住，可對焊接可靠性的提高帶來幫助，同時也方便用光電檢測法自動發(fā)現(xiàn)焊接問題。 RTQ2115C 實際上是針對車用電子設(shè)備的應(yīng)用需求開發(fā)的，已經(jīng)通過了AEC-Q100 Grade 1 認證，可在 -40℃~125℃ 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)可靠工作。 下面就來談?wù)?RTQ2115C 內(nèi)含 Buck 轉(zhuǎn)換器是如何實現(xiàn) CC/CV 控制及纜線壓降補償?shù)摹?/p>

這是實現(xiàn) CC/CV 控制及纜線壓降補償所涉及到的應(yīng)用電路原理圖。 R1 和 R2 構(gòu)成的輸出電壓取樣電路獲得的反饋電壓 VFB 被送入電壓誤差放大器后與參考電壓進行比較，其誤差經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)化為一個電流輸出對 COMP 端的電壓進行調(diào)節(jié)，所得電壓再與一個與時鐘信號同步的三角波進行比較得到控制開關(guān)動作的 PWM 信號，最后即可得到一個穩(wěn)定的輸出電壓，CV 控制就這樣完成了。

CC 即恒流控制是在負載電流超過預(yù)設(shè)的電流限制時用一個可控的電流源對上述控制回路中的 COMP 電壓進行強行的限制，使其隨著輸出電流的上升而變得越來越低，完全不管輸出電壓的高低。這種行為在負載電流沒有超限時是不會發(fā)生的，因此和 CV 控制一點也不會有沖突。

在上圖所示電路中，RSENSE 就是這樣的輸出電流取樣電阻，CSP/CSN 內(nèi)部連接的是一個使用 100mV 參考電壓為比較對象的誤差放大器，其輸出在下圖中被引入了 Control Logic 部分。

我們可以將其想象為就是和 CV 控制回路的 COMP 節(jié)點連接在一起的，但是其作用遠比 CV 控制誤差放大器的作用更強，能使 CV 控制誤差放大器的輸出完全不起作用。

現(xiàn)在說說纜線壓降補償是如何實現(xiàn)的。當負載電流 IOUT 流過電阻 RSENSE 時會形成一個電壓差 VCS = RSENSE x IOUT，此電壓差經(jīng)過內(nèi)部電路處理后形成一個電流 ILC（μA） = 21 x （ VCS – 0.00476 ），它們兩者之間的關(guān)系如下圖所示：

此電流經(jīng)過電壓反饋電阻網(wǎng)絡(luò)上端電阻 R1 處理后會給輸出電壓加入一個偏移量 VO_OFFSET = ILC x R1 = 21 x （ RSENSE x IOUT – 0.00476 ） x 10-6 x R1，使輸出電壓會隨著負載電流的上升而自動上升，但在負載連接端的電壓是基本維持不變的，因為這個偏移量的指標是根據(jù)負載線的特性而提出來的。所以，實際的設(shè)計過程需要首先給出偏移量指標，然后根據(jù)下式計算出 R1 的值：

其中的 IOUT 就是應(yīng)用中會出現(xiàn)的最大負載電流，RSENSE 則是這個最大負載電流流經(jīng)電阻 RSENSE 時能產(chǎn)生 100mV 壓降的電阻值。 最后再根據(jù)空載輸出電壓值 VOUT、恒壓控制的反饋參考電壓值 VREF_CV = 0.8V 及剛剛得到的 R1 計算出反饋電阻 R2 的值：

RSENSE 在應(yīng)用中會流過大電流，選擇參數(shù)時需要考慮其功率耗散能力，具體的計算公式就不在這里涉及了，使用時還必須考慮其富余量以確保安全。 本文涉及到的所有公式在 RTQ2115C 的規(guī)格書里均有出現(xiàn)，有問題的讀者可以進一步參考之以獲取第一手信息，點擊文末的閱讀原文可快速抵達。

編輯：jq