【導(dǎo)讀】在自然災(zāi)害或長(zhǎng)時(shí)間停電等緊急情況下，找到電源來(lái)給手機(jī)或其他USB通信設(shè)備充電可能很困難。使用交流電源工作的充電器無(wú)處不在，但當(dāng)電網(wǎng)不可用，并且最后的USB電池備用充電器系統(tǒng)電源耗盡時(shí)，還有什么其他方法可以為關(guān)鍵的USB供電設(shè)備充電？
圖1所示的電路是一種寬輸入電壓范圍USB設(shè)備充電器，可提供2 A、5 V輸出，支持廣泛的直流電源，包括太陽(yáng)能電池板、充滿電或用完一半的汽車(chē)電池、?48 V電信備用電池、隨機(jī)堆疊的堿性電池、被改造成發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)以及風(fēng)力渦輪機(jī)（下文簡(jiǎn)稱該電路為CN-0509）。CN-0509包括兩個(gè)USB充電端口，可提供2 A、5 V輸出。一個(gè)端口含有專用充電端口(DCP)控制器，可以讓大多數(shù)制造商的設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速充電模式。
圖1. CN0509寬范圍隔離式設(shè)備充電器簡(jiǎn)化示意圖
此電路接受5 V至100 V的任何直流電壓，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)USB A型連接器產(chǎn)生隔離式5 V電源。由于許多手機(jī)和其他便攜式電子設(shè)備的外殼常常電氣連接到USB地，因此電源與接地的關(guān)系未知，在這種情況下，隔離可以防止發(fā)生故障。
圖1所示電路對(duì)反向電壓狀況也有保護(hù)措施。臨時(shí)電源的極性可能未知，當(dāng)反向連接到直流電源時(shí)，該電路不會(huì)受損。此設(shè)計(jì)包含發(fā)光二極管(LED)，用以指示電壓源是否正確連接或是否必須交換極性。
CN-0509可將5 V至100V的各種直流電源轉(zhuǎn)換為5 V、2 A穩(wěn)壓電源，進(jìn)而通過(guò)雙通道USB A型插座為USB充電設(shè)備充電。
有兩個(gè)輸出端口可供使用，一個(gè)讓USB D+和D?信號(hào)保持開(kāi)路，用于一般充電；另一個(gè)含有USB DCP控制器，使大多數(shù)制造商的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高電流充電模式。兩個(gè)端口可以同時(shí)使用。但是，最大總負(fù)載電流為2 A。
該設(shè)計(jì)使用高效率、降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器（LTC7103，支持直通操作）與隔離型反激式轉(zhuǎn)換器(LT8302)的組合。這種配置既有降壓轉(zhuǎn)換器的高功效比和寬工作范圍特性，又有反激式轉(zhuǎn)換器的隔離和出色的穩(wěn)壓性能。
CN-0509電源輸入級(jí)如圖2所示。高壓肖特基二極管和保險(xiǎn)絲保護(hù)電路免受反向電源連接和過(guò)流狀況的影響。
圖2. 輸入電壓保護(hù)電路
兩個(gè)LED指示輸入電源，綠光表示極性正確，紅光表示反向連接。如果出現(xiàn)紅光LED，則必須將輸入連接反向才能使電路工作。雖然可以使用橋式整流器來(lái)支持以任一極性工作，但額外的400 mV壓降會(huì)提高最小工作電壓，當(dāng)從較低電壓源（例如太陽(yáng)能電池板或堿性電池單元）充電時(shí)，這可能是一個(gè)問(wèn)題。
在電路的整個(gè)工作范圍內(nèi)，一個(gè)有源恒流驅(qū)動(dòng)器電路維持LED電流，使其亮度變化極小。兩個(gè)電路串聯(lián)連接，但極性相反（參見(jiàn)圖3）。
圖3. 極性指示
施加電源時(shí)，電流流過(guò)R1，進(jìn)而接通晶體管Q3。電流然后流過(guò)Q3的發(fā)射極、LED和R2。隨著通過(guò)R2的電流增大，R2兩端的電壓也增大。一旦R2上的壓降達(dá)到晶體管Q1的基極到發(fā)射極電壓（VBE，約為0.7 V），Q1便導(dǎo)通。由此導(dǎo)致的流過(guò)R1的電流降低Q1的基極驅(qū)動(dòng)，從而有效限制LED的電流。在11 V至100 V的電壓范圍，此反饋環(huán)路將綠光LED和紅光LED的電流分別維持在大約2.41 mA和2.432 mA。
電源輸入電路之后是LTC7103同步降壓轉(zhuǎn)換器。相比于電流能力類似的線性穩(wěn)壓器，降壓轉(zhuǎn)換器或降壓型開(kāi)關(guān)模式電源可在一個(gè)小型封裝中有效地降低直流電壓，功耗很低，功率密度則很高。
直流輸入先經(jīng)由總計(jì)4.8 μF的電容濾波和旁路，再進(jìn)入降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端。LTC7103隨后將12 V至105 V的寬輸入電壓有效地降低到12 V的穩(wěn)壓輸出電壓(VOUT)，同時(shí)以300 kHz開(kāi)關(guān)頻率(fSW)提供高達(dá)2.3 A的輸出電流。
圖4. 12 V VOUT和不同輸入電壓條件下的效率
LTC7103 有一個(gè)可選的精密內(nèi)部反饋分壓器，因而無(wú)需外部精密電阻。VPRG1和VPRG2引腳的數(shù)字狀態(tài)將輸出電壓設(shè)置為1.0 V到15 V之間的九個(gè)固定選項(xiàng)中的一個(gè)。注意，CN-0509將VPRG1引腳綁定到INTVCC引腳，并讓VPRG2引腳保持開(kāi)路，從而將輸出設(shè)置為12 V。
當(dāng)輸入電壓在4.4 V和12 V之間時(shí)，CN-0509利用LTC7103的特性以直通模式工作（參見(jiàn)圖5）。LTC7103之后的隔離式反激級(jí)針對(duì)12 V進(jìn)行了優(yōu)化，但在低至5 V的電壓也能以降低的輸出電流能力工作。直通操作允許電路盡可能長(zhǎng)時(shí)間地繼續(xù)工作，哪怕應(yīng)急電源的電壓開(kāi)始下降也無(wú)妨。
圖5. 4.4 V < VIN < 12 V的直通操作
LTC7103的架構(gòu)提供了對(duì)短路狀況的固有防護(hù)，無(wú)需折回輸出電流或振蕩器頻率。這種保護(hù)之所以可能，是因?yàn)槊}沖寬度調(diào)制(PWM)比較器持續(xù)接收來(lái)自平均電流放大器的電感電流信息。這導(dǎo)致在短路狀況下自動(dòng)以周期跳躍方式工作，否則如果頂部開(kāi)關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將無(wú)法在最高開(kāi)關(guān)頻率下保持對(duì)電感電流的控制。典型限流操作如圖6所示。
圖6. LTC7103典型限流操作
降壓級(jí)之后是微功耗非光學(xué)隔離型反激式轉(zhuǎn)換器LT8302。LT8302通過(guò)對(duì)初級(jí)側(cè)反射波形進(jìn)行采樣來(lái)間接檢測(cè)輸出電壓，從而保持調(diào)節(jié)，而無(wú)需光耦合器或在耦合電感上使用第三檢測(cè)繞組。
在這種應(yīng)用中，隔離是必不可少的，因?yàn)榕R時(shí)電源的極性和接地連接可能不清楚，或者對(duì)于充電應(yīng)用設(shè)計(jì)本來(lái)就是不正確的。?48 V電信電源是一個(gè)常見(jiàn)例子（參見(jiàn)圖7）。
圖7. 接地故障狀況
電信電源相對(duì)于接地是負(fù)值，目的是防止電線發(fā)生電化腐蝕。因此，基于非隔離型降壓轉(zhuǎn)換器的充電器將手機(jī)外殼連接到?48 V時(shí)，如果外殼與接地物體接觸，就會(huì)造成危險(xiǎn)。太陽(yáng)能電池板或發(fā)電機(jī)接線不正確時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似情況。
除了提供隔離之外，LT8302進(jìn)一步將降壓轉(zhuǎn)換器的12 V輸出降低到5 V。VOUT使用兩個(gè)外部電阻和第三個(gè)可選的溫度補(bǔ)償電阻編程，如下所示：
其中：
RFB 為L(zhǎng)T8302反饋電阻。
RREF 為L(zhǎng)T8302基準(zhǔn)電阻。
NPS 為變壓器有效初級(jí)/次級(jí)匝數(shù)比。
VOUT 為輸出電壓。
VF(T0) 為25°C時(shí)的輸出二極管正向電壓 = ~0.3 V。
VREF 為L(zhǎng)T8302內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。
圖8顯示了在5 V VOUT時(shí)，各種輸入電壓下常見(jiàn)繞組比值的典型最大輸出功率。CN-0509變壓器具有3:1的匝數(shù)比，最大VOUT約為10 W。
圖8. 5 V VOUT時(shí)的典型最大輸出功率
USB已成為設(shè)備充電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，典型充電器可提供的電流已超過(guò)500 mA USB 2.0規(guī)范。充電器必須在USB數(shù)據(jù)線上提供特殊的電壓簽名，以便讓設(shè)備識(shí)別自身，并確定它可以從電源獲得的最大充電電流，這可以高于500 mA的最低標(biāo)準(zhǔn)。
U3是一個(gè)DCP控制器，監(jiān)視USB數(shù)據(jù)線電壓（D+和D?），并提供簽名以支持幾家常見(jiàn)設(shè)備制造商的快速充電模式（參見(jiàn)圖9）。雖然兩個(gè)端口可以同時(shí)使用（最大總負(fù)載電流為2 A），但當(dāng)使用DCP端口時(shí)，建議斷開(kāi)另一個(gè)端口。
圖9. USB專用充電端口控制器
請(qǐng)注意，USB線纜的質(zhì)量參差不齊。較長(zhǎng)的小規(guī)格電纜可能導(dǎo)致負(fù)載處的電壓大幅下降。
對(duì)于12 V到100 V之間的任何輸入電壓，CN-0509幾乎保持恒定操作，這是因?yàn)楦綦x轉(zhuǎn)換器的輸入處于恒定的12 V。較低輸入電壓會(huì)降低可用充電電流，如圖10所示。
圖10. 最大負(fù)載電流與輸入電壓的關(guān)系
CN-0509能夠耐受高達(dá)100 V的反向輸入連接。圖11顯示CN-0509的反向輸入與LTC7103 VIN的關(guān)系。
圖11. LTC7103 VIN與VIN的關(guān)系
圖12顯示，在12 V以上的輸入電壓，由于負(fù)載電流從0.1 A增加到2 A，CN-0509的負(fù)載調(diào)整幅度在65 mV內(nèi)，相應(yīng)的輸出電阻約為32.3 mΩ。
圖12. VOUT與負(fù)載電流(ILOAD)的關(guān)系
圖13和圖14分別顯示了手機(jī)（電話A）和USB移動(dòng)電源（移動(dòng)電源B）的電流和USB數(shù)據(jù)線的CN-0509導(dǎo)通瞬態(tài)曲線。
圖13. 電話A充電的ILOAD、D+和D?電壓
圖14. 移動(dòng)電源B的總線電壓(VBUS)、D+和D?電壓
圖15顯示了CN-0509以5.62 V、2 A給一個(gè)負(fù)載充電一小時(shí)的熱響應(yīng)，電路板水平放置在工作臺(tái)上并處于靜止空氣中，環(huán)境溫度為25°C。EVAL-CN0509-EBZ板上的最高溫度出現(xiàn)在D3二極管上(83.8 °C)，遠(yuǎn)低于150°C的最大工作溫度。
圖15. EVAL-CN0509-EBZ的熱圖像， 以5.62 V、2 A輸出給一個(gè)負(fù)載充電一小時(shí)
如果有交流電源可用，EVAL-CN0509-EBZ可以將各種隨機(jī)的離線電源變成USB充電器。此類電源包括筆記本電腦充電器、游戲機(jī)充電器和計(jì)算機(jī)外設(shè)電源。
在電源輸入處使用肖特基橋式整流器，便可支持任何輸入極性。然而，相比使用單個(gè)保護(hù)二極管，這種輸入配置的代價(jià)是最小工作電壓要增加0.4 V。例如，為獲得最高2 A輸出電流，需要12.4 V的VIN。
有關(guān)CN-0509的完整設(shè)置詳情和其他信息，參見(jiàn) CN0509用戶指南。
需要以下設(shè)備：
直流電源（任意電壓，5 V至100 V）
EVAL-CN0509-EBZ評(píng)估板
Klein Tools
ET910 USB萬(wàn)用表測(cè)試儀（或等效設(shè)備）
MicroUSB轉(zhuǎn)USB A型線
具有USB充電能力的設(shè)備（手機(jī)、平板電腦或便攜式電源包）以及用于設(shè)備的USB充電線纜
圖16顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。
圖16. 測(cè)試設(shè)置的功能框圖
采用以下步驟完成測(cè)試設(shè)置：
將輸入直流電源連接到CN-0509上的P1。連接高輸入電壓時(shí)須小心。
打開(kāi)直流輸入時(shí)，CN-0509開(kāi)啟。電路通過(guò)發(fā)光DS1或DS2確定輸入連接極性是否正確。
如果DS1（綠光LED）亮起，則輸入的極性正確，電路可在P2（USB輸出端口）上提供高達(dá)10 W的功率。
如果DS2（紅光LED）亮起，請(qǐng)關(guān)閉輸入電源，斷開(kāi)電源輸入，交換電源引線，再將電源輸出重新連接到P1，然后重復(fù)步驟2。
將 USB 線纜從 ET910 USB 萬(wàn)用表測(cè)試儀連接到EVAL-CN0509-EBZ上的下方USB端口。
使用一臺(tái)支持快充的設(shè)備的充電電纜，從ET910 USB萬(wàn)用表測(cè)試儀連接該設(shè)備。
查看ET910 USB萬(wàn)用表測(cè)試儀，驗(yàn)證設(shè)備是否獲得超過(guò)500 mA但小于2 A的電流（參見(jiàn)圖17）。
將EVAL-CN0509-EBZ上的USB端口從下方(DCP)端口換到上方USB端口。
查看ET910 USB萬(wàn)用表測(cè)試儀，驗(yàn)證設(shè)備是否獲得大約500 mA的電流（參見(jiàn)圖17）。
圖17. ET910 USB萬(wàn)用表測(cè)試儀屏幕截圖，左邊是電話A從上方USB端口充電，右邊是從含有DCP控制器的下方端口充電
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