使用升降壓電池充電器設(shè)計USB Type-C/USB PD設(shè)備

USB Type-C 和 USB Power Delivery (PD) 規(guī)范于 2014 年首次發(fā)布。從那時起，配備支持 USB PD 的 USB Type-C 端口的電子設(shè)備變得普遍。USB Type-C 端口旨在支持符合 USB PD 標準的高功率功能，從而為筆記本電腦、手機、便攜式揚聲器和移動電源等設(shè)備提供更靈活、更快速的充電。

USB Type-C 端口具有翻轉(zhuǎn)能力和四個 VBUS 電源引腳(傳統(tǒng) USB Type-A 和 Micro-B 中只有一個)。與之前的 5-V/0.1-A 至 1.5-A VBUS 相比，USB PD 提供了從 5 V/0.1 A 到高達 20 V/5 A 的靈活電源配置范圍，可實現(xiàn)更快的充電。最新的 USB PD 3.0 標準增加了可編程電源 (PPS) 功能，VBUS 支持 20 mV 或更小的調(diào)整步長，以滿足快速充電方案(如閃存充電器或開關(guān)電容充電器)的要求。這些充電器顯著提高了充電電流和效率，但也需要不斷調(diào)整 VBUS 以跟上電池電壓的變化。

USB Type-C/USB PD 能夠支持廣泛的電源配置及其向后兼容性，成為更通用的充電解決方案，從而顯著減少了不同類型的電纜和連接器的數(shù)量。您可以使用 USB Type-C/USB PD 壁式適配器或移動電源使用同一根電纜為每個兼容的電子設(shè)備充電。

圖 1：USB Type-C 連接器的引腳排列。

用于 USB PD 的降壓-升壓充電器

應(yīng)用的功率水平通常會決定電池配置和 USB PD 功率曲線。以下是各種鋰離子電池配置和功率級別的一些典型應(yīng)用：

單電池 (1S) 配置： 主要用于智能手機、運動相機和小型無線揚聲器等小型電子產(chǎn)品。這些電子設(shè)備中的大多數(shù)都具有 5-V/3-A 或更低的功率曲線;高端智能手機例外，其中更高功率和快速充電方案經(jīng)常被吹捧為產(chǎn)品功能。

兩節(jié)串聯(lián) (2S) 配置： 這些應(yīng)用通常支持更高的功率配置，并且通常被二合一平板電腦、USB PD 移動電源和電子銷售點設(shè)備等應(yīng)用所采用。

三芯和四芯串聯(lián) (3S–4S) 配置： 這些電池具有更高的電壓，用于更大的設(shè)備，如筆記本電腦、大功率智能揚聲器和消費級無人機。3S 到 4S 應(yīng)用中的常見功率配置文件可能達到 45 W(15 V/3 A 或 20 V/2.25 A)及以上。

對于多節(jié)充電器來說，支持單節(jié)配置也是一項有用的功能。這種靈活性允許在使用不同電池配置的產(chǎn)品之間重復使用設(shè)計，而對產(chǎn)品的更改最少。

降壓-升壓充電器提供降壓、降壓-升壓和升壓工作模式。在 PD 中需要這些工作模式有兩個原因。第一個原因與 USB PD 的寬輸入電壓范圍有關(guān)。例如，假設(shè)您要設(shè)計一款帶有 USB Type-C/USB PD 的電池供電智能音箱。為了輕松支持強大的音頻放大器，您選擇了 3S 電池。您希望它與小型 5-V/2-A 至 3-A 旅行適配器、具有 20-V/2.25-A USB PD 功能的更大筆記本電腦適配器以及介于兩者之間的東西兼容。3S配置下，電池標稱電壓約為11.1V。使用5V旅行適配器，充電器需要將輸入電壓升壓至電池;但是，使用 20-V/2.25-A 適配器時，充電器需要將其降壓。

第二個原因是電池電壓隨著充電狀態(tài)(SoC)的不同而變化。典型的 3S 電池電壓可以從空時的 9 mV (0% SoC) 到充滿時的 12.6 V (100% SoC) 不等。如果適配器在功率協(xié)商后提供 12V 的電壓，它將在低充電狀態(tài)下為 3S 電池充電，并在電池繼續(xù)充電時處于降壓-升壓和升壓模式(充電器處于降壓-升壓模式)當輸入電壓處于與電池電壓相似的水平時)。圖 2 顯示了具有不同 VBUS USB PD 配置文件和電池充電狀態(tài)的 3S 電池的降壓-升壓充電器 IC 的不同工作模式示例。

圖 2：升降壓充電器的工作模式，在充電和源模式下具有各種輸入電壓和充電狀態(tài)。

您有時可能需要使用 USB 充電端口作為電源設(shè)備，以通過 USB 電源模式(或過去的 On-The-Go 模式)為外部設(shè)備供電。要支持 USB PD 作為源設(shè)備，您還需要一個升降壓充電器。假設(shè)您想為您正在設(shè)計的智能揚聲器添加電源功能。要在 VBUS 上提供 5 V 作為電源，揚聲器需要將 3S 電池的電壓降下來;要提供 20 V 電壓，VBUS 需要從 3S 電池升壓。升降壓充電器可以使用同一組外部場效應(yīng)晶體管 (FET) 管理灌電流和拉電流，從而使設(shè)計的功能更加豐富而不會增加成本。例如，為了在移動電源設(shè)計中支持源模式下的 PPS 功能，VBUS 需要以小于或等于 20 mV 的增量步長產(chǎn)生電壓。

升降壓充電器的工作原理

查看圖 3中的升降壓充電器拓撲結(jié)構(gòu)，有四個開關(guān) FET 實現(xiàn)升降壓功能(不要與升降壓模式混淆，其中輸入電壓在水平類似于系統(tǒng)或電池電壓)。在降壓模式下，Q1 和 Q2 FET 不斷切換以降低適配器電壓;第三季度保持關(guān)閉，第四季度保持開啟。在升壓模式下，Q1 保持開啟，Q2 保持關(guān)閉，Q3 和 Q4 切換以提升電壓。

在降壓-升壓模式下，當輸入和輸出電壓處于相似水平時，Q1、Q2、Q3 和 Q4 傳統(tǒng)上需要在一個周期內(nèi)切換一次。同樣的操作原理在 USB PD 源模式下也適用。德州儀器 (TI) 擁有一項創(chuàng)新技術(shù)，在降壓-升壓模式下每個周期只允許兩個 FET 開關(guān)一次。該技術(shù)大大提高了電源效率并減少了散熱。直通模式 (PTM) 可以通過保持 Q1/Q4 始終開啟和 Q2/Q3 始終關(guān)閉來進一步提高效率。

在 PTM 中，系統(tǒng)電壓等于適配器輸入電壓。輸入功率通過 Q1、電感器和 Q4 直接進入系統(tǒng)，開關(guān)損耗可忽略不計，并且沒有電感器磁芯損耗。PTM 可用于大電流閃充和小電流輕負載操作以提高效率。

圖 3：TI BQ25713 升降壓充電器的應(yīng)用示意圖。

USB Type-C/USB PD充電系統(tǒng)及設(shè)計考慮

在USB Type-C/USB PD充電系統(tǒng)中，除了buck-boost充電器外，其他功能模塊可能包括接口保護芯片、PD控制器、電量計和電池保護器，以及電源路徑協(xié)調(diào)和 LED 操作的通用控制功能。通用控制可以通過獨立的微控制器 (MCU) 實現(xiàn)，也可以集成到 PD 控制器中。USB PD 控制器檢測插件事件、識別設(shè)備角色并協(xié)商功率級別。一個 I 2 C 或 SMBus 接口配置充電參數(shù)。

儀表和電池保護器通常位于電池組內(nèi)。該儀表測量電池的充電狀態(tài)，并可與 MCU 通信以實時調(diào)整充電參數(shù)。電池保護器實現(xiàn)電池平衡、電壓、電流和溫度保護，有時集成到儀表中。圖 4 顯示了典型電池系統(tǒng)的主要模塊。

圖 4：帶有 USB Type-C 端口的電池系統(tǒng)框圖。

您將需要考慮充電性能和功能，以使您的系統(tǒng)散熱更少、更具成本效益并與通用電源兼容。為了獲得酷炫的充電體驗，需要在不同負載的各種工作模式(降壓、升壓和升降壓)下保持較高的功率效率。

在系統(tǒng)需要知道輸入和電池電流/電壓等參數(shù)才能采取行動的應(yīng)用中，集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 使測量變得容易。由于不同的 USB 適配器可能具有不同的功率配置文件，并且電纜可能具有不同的電阻，因此了解電源的最大功率容量以避免使其崩潰很重要。TI 的輸入電流優(yōu)化 (ICO) 功能使系統(tǒng)能夠在插入電源時自動捕獲最大功率。此功能允許系統(tǒng)安全地從各種適配器獲取最大功率，即使是具有大阻抗和長電纜的未知適配器。電源路徑功能更適用于在插入適配器時使用深度放電的電池立即啟動系統(tǒng)。

結(jié)論

USB Type-C/USB PD 的市場需求只會繼續(xù)上升，因為該技術(shù)的易用性和廣泛的功率配置文件。為滿足 USB Type-C/USB PD 充電系統(tǒng)設(shè)計需求，需要使用升降壓充電器對輸入電壓進行升壓和降壓，從而為電池充電并為系統(tǒng)供電。請務(wù)必尋找在不同模式下高效運行的充電器，并在您的下一個設(shè)計中集成 ICO、ADC 和電源路徑等功能，以實現(xiàn)快速、涼爽的充電和優(yōu)化的系統(tǒng)解決方案成本。

審核編輯：湯梓紅