USB Type-C 和 USB Power Delivery (PD) 規(guī)范于 2014 年首次發(fā)布。從那時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的高功率功能，從而為筆記本電腦、手機(jī)、便攜式揚(yáng)聲器和移動(dòng)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(gè) VBUS 電源引腳(傳統(tǒng) USB Type-A 和 Micro-B 中只有一個(gè))。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(dá) 20 V/5 A 的靈活電源配置范圍，可實(shí)現(xiàn)更快的充電。最新的 USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)電源使用同一根電纜為每個(gè)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(huì)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(jí)別的一些典型應(yīng)用：

單電池 (1S) 配置： 主要用于智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)和小型無線揚(yáng)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(jī)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(dòng)電源和電子銷售點(diǎn)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(yáng)聲器和消費(fèi)級(jí)無人機(jī)。3S 到 4S 應(yīng)用中的常見功率配置文件可能達(dá)到 45 W(15 V/3 A 或 20 V/2.25 A)及以上。

對(duì)于多節(jié)充電器來說，支持單節(jié)配置也是一項(xiàng)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(fù)使用設(shè)計(jì)，而對(duì)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(gè)原因。第一個(gè)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(jì)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(qiáng)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(biāo)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(shí)，充電器需要將其降壓。

第二個(gè)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(shí)的 9 mV (0% SoC) 到充滿時(shí)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(shí)處于降壓-升壓和升壓模式(充電器處于降壓-升壓模式)當(dāng)輸入電壓處于與電池電壓相似的水平時(shí))。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(shí)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(gè)升降壓充電器。假設(shè)您想為您正在設(shè)計(jì)的智能揚(yáng)聲器添加電源功能。要在 VBUS 上提供 5 V 作為電源，揚(yáng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 管理灌電流和拉電流，從而使設(shè)計(jì)的功能更加豐富而不會(huì)增加成本。例如，為了在移動(dòng)電源設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有四個(gè)開關(guān) FET 實(shí)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(dāng)輸入和輸出電壓處于相似水平時(shí)，Q1、Q2、Q3 和 Q4 傳統(tǒng)上需要在一個(gè)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(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，在降壓-升壓模式下每個(gè)周期只允許兩個(gè) 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(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)，開關(guān)損耗可忽略不計(jì)，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(fù)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(jì)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(hù)芯片、PD控制器、電量計(jì)和電池保護(hù)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(dú)立的微控制器 (MCU) 實(shí)現(xiàn)，也可以集成到 PD 控制器中。USB PD 控制器檢測(cè)插件事件、識(shí)別設(shè)備角色并協(xié)商功率級(jí)別。一個(gè) I 2 C 或 SMBus 接口配置充電參數(shù)。

儀表和電池保護(hù)器通常位于電池組內(nèi)。該儀表測(cè)量電池的充電狀態(tài)，并可與 MCU 通信以實(shí)時(shí)調(diào)整充電參數(shù)。電池保護(hù)器實(shí)現(xiàn)電池平衡、電壓、電流和溫度保護(hù)，有時(shí)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(yàn)，需要在不同負(fù)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(dòng)的應(yīng)用中，集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 使測(cè)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(shí)自動(dòng)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(shí)使用深度放電的電池立即啟動(dòng)系統(tǒng)。

結(jié)論

USB Type-C/USB PD 的市場(chǎng)需求只會(huì)繼續(xù)上升，因?yàn)樵摷夹g(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(jì)需求，需要使用升降壓充電器對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓和降壓，從而為電池充電并為系統(tǒng)供電。請(qǐng)務(wù)必尋找在不同模式下高效運(yùn)行的充電器，并在您的下一個(gè)設(shè)計(jì)中集成 ICO、ADC 和電源路徑等功能，以實(shí)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