USB PD充電解決方案

近幾年，降壓-升壓型充電器變得越來(lái)越流行，因?yàn)樗軌驈膸缀跞魏屋斎朐礊殡姵爻潆?，無(wú)論輸入電壓是高于或低于電池電壓。

USB Type-C被廣泛采用的一大關(guān)鍵性?xún)?yōu)勢(shì)是它被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)通用適配器和減少相應(yīng)電子廢棄物減少理想方案。雖然USB Type-C接口是統(tǒng)一的，但是不同適配器的額定功率和電壓仍然有很大的差異，這里面包含了傳統(tǒng)的5 V USB適配器和能夠提供5 V到20 V電壓范圍的USB PD適配器。此外，不同的便攜式設(shè)備內(nèi)部的電池?cái)?shù)串聯(lián)節(jié)數(shù)也有可能不同。這就要求電池充電器集成電路（IC）采用降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 去適應(yīng)輸入電壓和電池電壓的這些任意的變化。 具有高功率密度的降壓-升壓充電芯片不僅可以集成通用的充電功能模塊，也可以集成USB PD充電系統(tǒng)中的其他元件，如負(fù)載開(kāi)關(guān)和DC/DC轉(zhuǎn)換器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低物料清單（BOM）成本，并保持小尺寸的整體解決方案。圖1顯示了USB PD充電解決方案的系統(tǒng)框圖。

圖1 USB PD充電解決方案的系統(tǒng)框圖

為支持移動(dòng)USB OTG充電規(guī)格，當(dāng)適配器不存在時(shí)，電池通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器放電，在VBUS輸出一個(gè)恒定電壓去給外部設(shè)備供電。如果USB Type-C端口需要支持快速角色交換（FRS）的功能，則必須開(kāi)啟DC/DC轉(zhuǎn)換器并始終處于待機(jī)狀態(tài)，即使已將適配器插入U(xiǎn)SB Type-C端口。當(dāng)適配器斷開(kāi)時(shí)，放電電源路徑中的背對(duì)背MOSFETs迅速打開(kāi)，將U3輸出電壓傳遞給VBUS并保持VBUS電壓不跌落。在這個(gè)過(guò)程中，始終保持DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟的狀態(tài)實(shí)際上會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)造成額外的靜態(tài)電流損失。

圖2中所示的全集成降壓-升壓充電芯片可以簡(jiǎn)化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。首先，將輸入電流檢測(cè)電路集成到芯片中。通過(guò)該電路檢測(cè)到的輸入電流，充電器提供輸入電流調(diào)節(jié)和輸入電流過(guò)流保護(hù)來(lái)避免適配器過(guò)載。 其次，作為輸入過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)電路的一部分，外部背對(duì)背MOSFET的控制邏輯和驅(qū)動(dòng)電路也被集成到充電器中。這些功能使得從框圖中消除支持輸入功率路徑管理和輸入電流檢測(cè)的單元成為可能。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)四個(gè)FETs的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的雙向操作，充電芯片自身可以支持OTG模式。當(dāng)適配器插入U(xiǎn)SB端口時(shí)，充電芯片以正向充電模式工作，功率從VBUS流向電池。當(dāng)適配器斷開(kāi)時(shí)，功率從電池流向VBUS。VBUS處的OTG輸出電壓覆蓋從2.8 V到22 V的全USB PD電壓范圍，具有10mV可編程步長(zhǎng)，與USB PD 3.0規(guī)格兼容。

圖2全集成降壓-升壓充電芯片

為了支持USB Type-C端口的FRS功能，此集成降壓-升壓充電芯片實(shí)現(xiàn)了一種新的備用模式。在本文中，備用模式是指降壓-升壓充電芯片從正向充電模式到反向OTG模式的快速轉(zhuǎn)換，從而避免總線(xiàn)電壓的跌落。查看圖3中的應(yīng)用框圖，適配器連接到USB端口，為系統(tǒng)供電，并通過(guò)降壓-升壓功率級(jí)為電池充電。同時(shí)，適配器可以從充電器的PMID輸出為系統(tǒng)配件供電。如果降壓-升壓充電芯片不支持備用模式的話(huà)，當(dāng)適配器斷移走時(shí)，電池仍然可以通過(guò)芯片內(nèi)部的FET為系統(tǒng)供電。然而，PMID上的配件供電可能會(huì)掉電。

充電芯片啟用備用模式后，能夠監(jiān)測(cè)VBUS電壓。VBUS電壓跌落低于預(yù)設(shè)閾值可以作為適配器已移除的信號(hào)。一旦充電芯片檢測(cè)到適配器已移除，它將以迅速的從正向充電模式切換到反向OTG模式，利用電池放電的能量去維持住VBUS電壓，并自行實(shí)現(xiàn)FRS。當(dāng)適配器移除時(shí)，系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)配件的供電都可以從適配器無(wú)縫地切換到電池，這樣的作法可以從框圖中消除用于OTG模式和FRS的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖4顯示了充電芯片用作支持FRS的備用模式的測(cè)試波形。在USB1處連接了9 V適配器作為輸入電源。當(dāng)適配器插入后，充電芯片打開(kāi)ACFET1-RBFET1將適配器接入VBUS。該波形的測(cè)試條件是，PMID處有1 A的電流給系統(tǒng)附件供電，BAT處有1 A的充電電流。當(dāng)9 V適配器電壓（VAC）移除時(shí)，充電芯片迅速的從正向充電模式轉(zhuǎn)向反向OTG模式， 仍可以將PMID和VBUS維持在5 V，同時(shí)持續(xù)向1 A PMID負(fù)載供電。

圖3 用單個(gè)降壓-升壓充電器實(shí)現(xiàn)USB Type-C FRS

圖4 從VBUS sink 到 VBUS source的降壓-升壓充電器FRS

以上描述的所有功能都有助于簡(jiǎn)化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并且TI已經(jīng)在新型降壓-升壓充電芯片BQ25790和BQ25792中實(shí)現(xiàn)。這些充電芯片支持從3.6 V到24 V的輸入電壓范圍為1到4節(jié)串聯(lián)電池充電，輸入范圍覆蓋了整個(gè)USB PD電壓范圍。

這些功能采用2.9 mm×3.3 mm晶圓尺寸封裝或4 mm×4 mm方形扁平無(wú)鉛封裝。整個(gè)充電解決方案能夠提供45 W的功率，功率密度約為100 W/in2 （150mV/mm2），是市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品的兩倍。
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