提出一種新的USB-C簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)架構(gòu) 并全面支持所有USB-C功能

USB-C接口正在徹底改變電子設(shè)備的充電方式。USB-C連接線(xiàn)無(wú)論哪一端都能連接智能手機(jī)或超級(jí)本。物理上，C型連接器既是雙向的（無(wú)論線(xiàn)纜的哪一端都能插入兩頭的設(shè)備），也是無(wú)極性的（連接器插入時(shí)可以正面朝上，也可以反面朝上）。在協(xié)商過(guò)程中，連接系統(tǒng)可以電子地分辨出電極性。除了數(shù)據(jù)傳輸，USB-C還能支持更高功率水平的雙向功率傳輸。默認(rèn)電壓為5V，USB-C端口能夠與插入的設(shè)備協(xié)商，在雙方同意的電流水平上，將端口電壓提高到20V，或雙方同意的其他電壓值。USB-C端口提供的最大功率為100W（20V/5A），這用來(lái)給筆記本電腦充電已經(jīng)綽綽有余了。優(yōu)勢(shì)如此明顯，也就不難理解為什么電子設(shè)備制造商紛紛在其下一代產(chǎn)品中采用USB-C了。

隨著USB PD和USB-C得到越來(lái)越多的采用，計(jì)算機(jī)行業(yè)對(duì)穩(wěn)壓器的性能提出了明顯更高的要求。與電壓值固定的傳統(tǒng)USB-A和USB-B端口相比，USB-C端口是雙向的，接受可變輸入電壓，輸出電壓范圍為5V至20V。其可調(diào)節(jié)輸出電壓允許筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備用USB-C端口替代傳統(tǒng)AC/DC電源適配器和USB-A和B端子?？紤]到這些優(yōu)勢(shì)，一些客戶(hù)在其系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)或多個(gè)USB-C端口。

不過(guò)，目前具有兩個(gè)或多個(gè)USB-C端口的系統(tǒng)架構(gòu)很復(fù)雜，不能滿(mǎn)足很多客戶(hù)的要求。本白皮書(shū)提出了一種全新的系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)采用瑞薩電子的ISL95338降壓-升壓穩(wěn)壓器和ISL95521A組合式電池充電器。我們將討論這種架構(gòu)如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并全面支持所有USB-C功能。我們還將說(shuō)明這種架構(gòu)如何應(yīng)用到適配器端，以實(shí)現(xiàn)可編程電源（PPS），這種電源可以輸出可調(diào)節(jié)電壓，以匹配USB-C的可變輸入電壓。

一種新的USB-C架構(gòu)

圖1顯示了一種新的USB-C架構(gòu)，該架構(gòu)由ISL95338雙向降壓-升壓穩(wěn)壓器和ISL95521A組合式電池充電器或ISL9238降壓-升壓電池充電器組成。這種新架構(gòu)允許系統(tǒng)通過(guò)USB-C端口給電池充電，當(dāng)兩個(gè)PD充電器插入U(xiǎn)SB-C_1和USB-C_2時(shí)，還支持快速充電功能。無(wú)需額外復(fù)雜的端口控制邏輯電路或IC，該架構(gòu)的兩個(gè)端口就可全面支持USB 3.1 On-The-Go（OTG）。

圖1. 瑞薩電子電池充電器架構(gòu) – 雙USB-C端口，采用兩個(gè)降壓-升壓穩(wěn)壓器和一個(gè)降壓充電器

比較圖1和圖2很容易看出，要實(shí)現(xiàn)與瑞薩電子電池充電器架構(gòu)相同的功能和性能水平，市場(chǎng)上現(xiàn)有的電池充電器架構(gòu)需要更多器件和復(fù)雜的外部電路。顯然，使用現(xiàn)有的電池充電系統(tǒng)，每個(gè)充電器通路都需要一個(gè)USB-PD控制器來(lái)控制2個(gè)ASGATE并執(zhí)行充電功能，這提高了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本。為了實(shí)現(xiàn)5V降壓OTG，OTG門(mén)還需要一個(gè)PD控制器。注意，現(xiàn)有的降壓轉(zhuǎn)換器只能輸出單一固定電壓。圖2顯示，如果使用5V降壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)工程師只能輸出一個(gè)固定5V電壓，這與很多USB-C應(yīng)用要求的可調(diào)5V-20V OTG輸出電壓不匹配。

圖2. 現(xiàn)有電池充電器架構(gòu) - 單一降壓-升壓充電器+復(fù)雜的外部邏輯電路

本文提出的瑞薩電子架構(gòu)克服了所有這些缺點(diǎn)。圖1顯示，兩個(gè)ISL95338并聯(lián)，將兩個(gè)USB-C端口連接到ISL95521A電池充電器。簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，為客戶(hù)節(jié)省了大量成本，因?yàn)槿サ袅瞬簧僭ǜ鱾€(gè)PD控制器、ASGATE和OTG GATE。最重要的是，使用了更少的元件但并未降低性能。例如，如果電池需要充電，那么就直接從USB-C輸入向ISL95521A供電。此外，將兩個(gè)ISL95338并聯(lián)，可為客戶(hù)應(yīng)用提供更多選擇。

例如，可以采用具有不同額定功率的兩個(gè)USB-C輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率電池充電，這意味著，電池充電功率高于單個(gè)USB-C輸入功率。圖1說(shuō)明了這是如何實(shí)現(xiàn)的：在電壓回路中放置一個(gè)ISL95338（設(shè)定為較高額定功率的USB-C）為ISL95521A輸入提供恒定電壓（V0），另外在電流回路中放置一個(gè)ISL95338（設(shè)定為較低額定功率的USB-C），自動(dòng)為ISL95521A提供最大功率。換言之，無(wú)需增加額外的電路或邏輯來(lái)決定兩個(gè)并聯(lián)的ISL95338降壓-升壓穩(wěn)壓器的不同額定功率。

可以基于不同的額定功率自動(dòng)選擇ISL95338內(nèi)部的控制回路，來(lái)充分利用輸入電源。針對(duì)OTG功能，電池電源可通過(guò)二極管提供，用ISL95338將功率傳輸至USB-C輸出。從而不再需要5V降壓和OTG門(mén)，如圖2所示。此外，通過(guò)在兩個(gè)ISL95338、ISL95521A和PD控制器之間使用SMBus通信，OTG電壓可以調(diào)節(jié)，而不是使用固定值。圖3顯示了一種大功率快速充電應(yīng)用，其中，新的瑞薩電子電池充電架構(gòu)可以進(jìn)行擴(kuò)展，可以將4個(gè)ISL95338與一個(gè)ISL95521A或ISL9238電池充電器并聯(lián)。每個(gè)USB-C端口都可以作為匯（sink）或源（source）獨(dú)立運(yùn)行。該架構(gòu)還可以將傳統(tǒng)適配器作為電源結(jié)合到系統(tǒng)中，而不提高物料成本。

圖3. 實(shí)現(xiàn)4個(gè)USB-C端口的瑞薩電子電池充電器架構(gòu) - 4個(gè)降壓-升壓穩(wěn)壓器+1個(gè)降壓充電器

可編程電源解決方案

在傳統(tǒng)的USB-A和USB-B應(yīng)用中，輸入電壓是固定值，這給USB-C應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)閁SB-C端口還可以接受可變輸入電壓。解決辦法是可編程電源（PPS）功能，這種功能允許電源的輸出電壓和電流以20mV/50mA步進(jìn)編程和調(diào)節(jié)，以?xún)?yōu)化電源通路。如圖4所示，ISL95338降壓-升壓穩(wěn)壓器非常適合用于實(shí)現(xiàn)PPS，因?yàn)樵摲€(wěn)壓器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信，輸出可調(diào)的雙向電壓。

圖4. 新型瑞薩電子 PPS架構(gòu)

結(jié)論

將ISL95338用在多端口USB-C電池充電系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)一種新的、易于使用的充電架構(gòu)。與現(xiàn)有的充電架構(gòu)相比，瑞薩電子的新架構(gòu)能夠以低很多的成本實(shí)現(xiàn)，而且提供更高的性能、更快速的充電和更長(zhǎng)的電池壽命。此外，所有USB-C端口要求都能完全滿(mǎn)足，包括能實(shí)現(xiàn)PPS，這是未來(lái)應(yīng)用需要增加的關(guān)鍵USB功能之一。