基于集成型USB Type-C 電池管理解決方案

智能手機、平板電腦和超薄筆記本等新型電池供電移動設(shè)備所要求的輕薄特性，讓 USB Type-C 充電接口成為便攜式設(shè)備制造商的更佳選擇，并被廣泛采納。而歐盟委員會 (EC) 更是于 2022 年 6 月頒布了一項指令，要求下一代便攜式設(shè)備均兼容 USB Type-C 充電連接器，以盡量減少電子垃圾。

與傳統(tǒng)的 micro-USB 和 USB Type-A 端口相比，USB Type-C 端口憑借多項優(yōu)勢助力實現(xiàn)穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計，例如更高功率、更小尺寸、雙向充/放電能力，并且支持任一方向插入。

不過，實現(xiàn) USB Type-C 端口還需要額外的組件。圖 1 顯示了 USB Type-C 充電系統(tǒng)的傳統(tǒng)架構(gòu)，通常包括用于 CC1/CC2 通信的 Type-C CC 控制器、用于實現(xiàn)輸入過壓保護 (OVP) 的 VBUS 保護器、用于給 CC 控制器供電的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器以及用于電源管理的雙向充電器。

圖 1: USB Type-C 端口的傳統(tǒng)架構(gòu)

由圖 1 可見，USB Type-C 系統(tǒng)較為復雜。對不需要 USB 供電 (PD) 通信能力的 15W 以下的應(yīng)用而言，全功能的 USB PD 控制器性價比較低。本文提出的集成解決方案采用 MP2722 規(guī)避了傳統(tǒng) USB Type-C 架構(gòu)的缺點，并進一步簡化了設(shè)計過程。MP2722 是一款單電池充電芯片，它將 USB Type-C 充電系統(tǒng)所需的組件都集成在單個芯片中。

采用 MP2722 實現(xiàn)集成型解決方案

集成型 USB Type-C 電池管理解決方案可在節(jié)省空間的同時降低系統(tǒng)復雜性。MP2722 是一款適用于鋰離子或鋰聚合物電池的 5A 單電池窄電壓直流 (NVDC) 降壓充電芯片，它集成了 USB Type-C 雙角色端口 (DRP) 檢測功能。除了功率 MOSFET，MP2722 還集成了一個 DRP CC 控制器，可分別為輸入或 CC 引腳提供高達 26V 和 22V 的絕對最大輸入電壓 (VIN)，因此無需為 VBUS 和 CC 引腳提供外部 OVP。

如圖 2 所示為采用 MP2722 實現(xiàn)的 15W USB Type-C DRP 方案典型應(yīng)用電路，該方案僅需一個電感和幾個電阻、電容。

圖 2: 15W、集成型 USB Type-C DRP 解決方案

在不需要微控制器 (MCU) 的情況下，MP2722 還可作為獨立器件工作，所有參數(shù)均由一次性可編程 (OTP) 存儲器單元配置。

USB Type-C 的 Sink、Source 和 DRP 端口

接收端口和源端口共享 USB Type-C 端口上的物理插座，這與傳統(tǒng)的 USB Type-A 和 Type-B 端口不同。 根據(jù) USB Type-C 規(guī)范，接收端口應(yīng)在 CC1 和 CC2 引腳上提供一個下拉電阻（Rd），通常為 5.1kΩ，源端口應(yīng)在 CC 引腳上根據(jù)源電流能力提供一個上拉電阻（Rp）。Rp 可等效為上拉電流源。DRP 端口支持源端口或者接收端口，也就是說，Rp 和 Rd 應(yīng)在兩個 CC 引腳上定期切換。表 1 顯示了源模式下的 Rp 需求。

表 1: 源模式下的 Rp 需求

當兩個 USB Type-C 連接器連接之后，其中一個 CC1 或 CC2 引腳通過 USB Type-C 電纜中的 CC 通道連接。通過監(jiān)控 CC 引腳上的 Rp 和 Rd值，USB Type-C 設(shè)備可以檢測連接了源端還是接收端，并在接收模式下根據(jù)不同的 Rp 值設(shè)置適當?shù)妮斎腚娏飨拗?(I列 文)。

圖 3 顯示了通過 USB C 到 USB C 電纜連接源端和接收端的模型，其中，Ra 表示未施加電源 (V聲 時) 時電纜上的電子標簽（E-mark IC）電阻。

圖 3：USB Type-C 上拉/下拉模型(1)

傳統(tǒng)電纜

傳統(tǒng)電纜是一端帶 USB Type-C 連接器、另一端帶 USB Type-A 連接器的電纜。這種電纜可實現(xiàn) USB Type-C 產(chǎn)品和 USB Type-A 產(chǎn)品之間的互操作性。由于 USB Type-A 端口上沒有 CC 引腳，因此 USB Type-C 連接器中的 CC1 和 CC2 引腳應(yīng)通過一個 56kΩ 的電阻上拉至 VBUS 引腳，以維持其 500mA 的默認電流能力。然后，接收端口可遵循其他協(xié)議，例如 USB 電池充電規(guī)范 1.2 (BC1.2)，汲取超過 500mA 的電流。

不同端口的 DRP 操作

MP2722 單電池充電器集成了 USB Type-C Source/Sink 檢測算法，并支持 DRP 切換功能，以在源模式和接收模式之間自動切換。圖 4 顯示了 USB Type-C DRP 端口的狀態(tài)機，其中 vOpen 是指源端 CC 引腳的開路閾值，vRa 指配件連接到 CC 引腳時的電壓。

圖 4：DRP 模式(1)

為避免兩個 DRP 端口相互連接的隨機結(jié)果，MP2722 支持 Try.SRC 和 Try.SNK 模式，當 USB Type-C 端口連接到另一個未啟用 Try.SRC 或 Try.SNK 的DRP 端口時，USB Type-C 端口可分別作為源和接收器運行。當 USB Type-C 設(shè)備主要用作源端（例如充電寶中的 DRP 端口）或接收端（例如手機中的 DRP 端口）時，該功能很有用。

圖 5 顯示了帶 Try.SRC 功能的 USB Type-C DRP 模式。

圖 5：DRP 模式(1)帶 Try.SRC 功能

圖 6 顯示了帶 Try.SNK 功能的 USB Type-C DRP 模式。

圖 6：帶 Try.SNK 功能的 DRP 模式(1)

注釋：
1. 圖片來源：USB Type-C 規(guī)范 R2.2

MP2722 的其他關(guān)鍵特性

除了支持 USB Type-C DRP 操作外，MP2722 還具備其他重要特性，例如傳統(tǒng)電纜檢測、BC1.2 兼容和濕度檢測。下面將詳細介紹這些特性。

傳統(tǒng)電纜檢測

如果采用標準 USB C 到 USB C 電纜，CC1 或 CC2 引腳連接之后，源端將需要 100ms 至 200ms 的抗尖峰脈沖時間來導通 VBUS 輸出。但傳統(tǒng)電纜沒有這個抗尖峰脈沖時間，VBUS 始終處于啟用狀態(tài)。MP2722 可以檢測它是否連接到了傳統(tǒng)電纜，并通過中斷信號通知主機。

BC1.2 兼容

根據(jù) USB Type-C 規(guī)范，傳統(tǒng)電纜必須通過一個56kΩ 電阻將其 CC 引腳上拉至 VBUS。這意味著，即使適配器可以支持更高的輸出電流 (IOUT) 能力，在應(yīng)用了 CC 檢測的情況下，接收器也只可以汲取最大 500mA 的電流。MP2722 支持 BC1.2 檢測，以從源端汲取更高的電流，并縮短充電時間。

濕度檢測

USB 連接器中的濕氣隨著時間的推移可能產(chǎn)生腐蝕，從而導致連接器引腳開路或短路。在未連接電源時，MP2722 可通過 在 VBUS 上提供電流來測試 USB Type-C 端口的輸入阻抗。如果在連接器中檢測到濕氣，主機可以提醒用戶采取進一步的措施。

采用 MP2722 實現(xiàn)的 15W、DRP USB Type-C 解決方案原型

圖 7 顯示了 EV2722-RH-00A 評估板，該板為 15W、DRP USB Type-C 電池管理解決方案的原型。

圖 7：采用 MP2722 實現(xiàn)的 15W、DRP USB Type-C 解決方案原型

電感(L1)為 1μH，可通過公式 (1) 計算：

$$L_1 = frac {V_{IN} - V_{SYS}}{Delta I_{L_MAX}} times frac {V_{SYS}}{V_{IN}times f_{SW}}$$

其中 VIN 為 5V，系統(tǒng)電壓 (VSYS) 為 3.7V，開關(guān)頻率 (fSW) 為 1MHz，電感電流紋波 (ΔIL_MAX) 為 5A x 20%。

輸入和輸出電容可吸收高頻開關(guān)電流紋波。對于MP2722，輸入電容（CIN）為1μF，總理電容（C總理）為10μF，系統(tǒng)電容（CSYS）為20μF，電池電容（C暫記賬戶）為20μF。

在未連接電源或接收器時，CC1 和 CC2 的波形如圖 8 所示。MP2722 在 80ms 的時間段內(nèi)切換 Rp 和 Rd。

圖 8：MP2722 的 CC1 和 CC2 DRP 波形

圖 9 顯示了在 DRP 模式下、連接電源或負載時的波形。其中 MP2722 設(shè)置為 DRP 模式，無 Try.SRC 或 Try.SNK 模式，電池電壓 (V暫記賬戶) 為 4V，接收模式下充電電流 (ICC) 為 2A，源模式下 IOUT 限流值為 3A，并且 CC1 引腳連接到 USB Type-C 電纜的 CC 通道。圖 9a 為連接 5V/3A 電源 (Rp) 時的波形，圖 9b 為連接了 1A 負載 (Rd) 時的波形。

圖 9: DRP 模式下連接電源或負載時的波形

圖 9a 顯示了當 MP2722 的 CC 引腳切換至 Rd 時，電源接通。連接的電源檢測到 MP2722 上的 Rd ，則啟用輸出，然后 MP2722 開始充電。圖 9b 顯示了當 MP2722 的 CC 引腳切換至 Rp 時，接收器接通。MP2722 一旦檢測到外部 Rd，就會在 150 毫秒的抗尖峰脈沖時間后啟用輸出。請注意，如果電池電流（I暫記賬戶）為負，則表示電池正在放電。

圖 10 顯示了當 MP2722 連接到另一個 DRP 端口，且 Try.SNK 或 Try.SRC 模式啟用時的波形。

圖 10：MP2722 連接到另一個 DRP 端口時的 Try.SNK 和 Try.SRC 波形

如圖 10a 所示，當啟用了 Try.SNK 的 MP2722 連接到另一個 DRP 端口時（更多信息請參見圖 6）將發(fā)生以下情況：一旦 MP2722 連接到外部 Rd，即進入等待狀態(tài)。接下來，MP2722 進入 Try.SNK 狀態(tài)，并通過 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，MP2722 充當接收器為電池充電。

如圖 10b 所示，當啟用了 Try.SRC 的 MP2722 連接到另一個 DRP 端口時（更多信息請參見圖 5）將發(fā)生以下情況：一旦 MP2722 連接到外部 Rp，即進入等待狀態(tài)，直到檢測到 VIN。然后，MP2722 通過 Rp 上拉 CC1 和 CC2，從而啟動 Try.SRC。當外部端口檢測到 MP2722 上的 Rd 消失，它會關(guān)閉輸出并通過 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，一旦 MP2722 檢測到外部 Rd，即啟用輸出并作為源端工作。 請注意，I暫記賬戶 為負表示電池正在放電。

結(jié)語

與傳統(tǒng)的分立式方案相比，采用 MP2722 這樣的單電池充電器設(shè)計的集成電池管理解決方案需要的外部元器件更少，這將有效減小 PCB 尺寸，簡化設(shè)計流程，并縮短設(shè)計周期。MP2722 還提供傳統(tǒng)電纜檢測、BC1.2 兼容和連接器濕度檢測等高級功能，以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)兼容性與安全性。這些功能使 MP2722 非常適合構(gòu)建低成本、15W、雙角色 USB Type-C 充電解決方案。

責任編輯：彭菁