【導(dǎo)讀】USB Type-C也稱(chēng)為 USB-C，而為多種外圍設(shè)備生成USB Type-C的充電電源，需要采用靈活的 DC/DC 變換器，它與控制器配合為相應(yīng)設(shè)備提供所需的電壓和電流。隨著功率密度的增加，特別是在多電源端口或集線(xiàn)器應(yīng)用中，效率變得至關(guān)重要，功耗也需要降至最低以最大限度地降低內(nèi)熱。而USB 電源的可編程電源 (PPS) 規(guī)范可以助力電源轉(zhuǎn)換設(shè)備增加更多集成功能。
本文將重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)具有靈活功能的完整 USB C 供電 (PD) 解決方案。這種方案必須滿(mǎn)足 PPS 規(guī)范中列出的電流和電壓規(guī)范要求，同時(shí)仍支持全功能 USB Type-C產(chǎn)品。下述內(nèi)容將涵蓋設(shè)計(jì)的主要方面，包括組件選擇、電路板布局以及如何利用可編程特性和設(shè)置進(jìn)行功能優(yōu)化。以 MPS提供的MPQ4272 升壓/降壓變換器和MPQ4230升降壓變換器為例，我們將對(duì)器件操作進(jìn)行分析，以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)頻率和峰值電流，從而最大限度地減少功率傳輸損耗。本文還將介紹如何將 DC/DC 變換器與恰當(dāng)?shù)?USB PD 控制器配合應(yīng)用，以提供完整的 PD 解決方案。
USB 可編程電源 (PPS) 規(guī)范要求
PPS 標(biāo)準(zhǔn)是 USB PD 規(guī)范（通過(guò)usb.org可獲得）的一部分，主要側(cè)重于促進(jìn)電池快速充電。 PPS電源可以每10秒與受電設(shè)備交換一次數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)USB電源受電設(shè)備設(shè)置的條件，電源可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流。PPS 功能允許對(duì)電壓和電流小步逐步改變。而受電設(shè)備可以請(qǐng)求電源做出這些改變。這種電源控制是減少功率轉(zhuǎn)換損耗的有效方法，當(dāng)專(zhuān)用電池充電器增加了另一級(jí)轉(zhuǎn)換損耗時(shí)，尤其有用。
鋰離子電池充電的標(biāo)準(zhǔn)流程是從恒流充電狀態(tài)開(kāi)始的（在保持固定恒定電流的同時(shí)電池電壓逐漸升高）；然后在達(dá)到特定電壓之后，變?yōu)楹銐撼潆姡ㄔ诒３止潭妷旱耐瑫r(shí)充電電流逐漸減小）。圖 1顯示了鋰離子電池的充電曲線(xiàn)。
圖1: 鋰離子電池充電曲線(xiàn)
早期USB 規(guī)范允許固定5V 的電源電壓。USB C PD 規(guī)范發(fā)展為包含其他更高的電壓選項(xiàng)，但不包括步進(jìn)電壓變化。要為電池充電，最重要是有一個(gè)降壓穩(wěn)壓充電器，這無(wú)疑增加了另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生熱量并降低效率的轉(zhuǎn)換步驟。
PPS 標(biāo)準(zhǔn)允許USB C電源提供電壓和電流控制，以便直接為電池充電，并減少功率損耗。PPS 電源能夠以20mV的標(biāo)稱(chēng)步長(zhǎng)調(diào)整輸出電壓，并以50mA的步長(zhǎng)用于電流限制。其電壓輸出范圍為3.3V至21V。 這個(gè)范圍與 USB 通信協(xié)議相結(jié)合，可為單節(jié)或多節(jié)電池電源提供智能充電解決方案。另外，有些應(yīng)用因?yàn)榕c受電設(shè)備之間的電纜損耗而需要補(bǔ)償?shù)截?fù)載的 I-R 壓降，增量電壓控制也適用于這些應(yīng)用。
USB電源解決方案
USB Type-C 電源的輸出必須符合輸出電壓和電流的規(guī)范，但電源的輸入可以具有多種特性，例如電壓范圍可寬可窄、功率能力可高可低。 為電源選擇電源轉(zhuǎn)換設(shè)備需要同時(shí)考慮輸入源以及所需的輸出功能，例如完整的USB Type-C 和PPS 功能。
由于電源的最大輸出電壓為 21V，超過(guò) 21V 的電源則需要使用降壓（buck或step-down） DC/DC 變換器。許多應(yīng)用都要求較低的電壓，例如汽車(chē)的12V 電池需要使用升降壓 DC/DC 變換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高和更低的輸出電壓。相比有四個(gè)開(kāi)關(guān)的升降壓變換器，只有兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)的降壓變換器更具成本效益，盡管升降壓變換器用途更廣。本文將對(duì)這兩種方案均進(jìn)行說(shuō)明（參見(jiàn)圖 2）。
圖2: USB電源解決方案
一個(gè)完整的 USB Type-C 解決方案需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換組件和一個(gè) USB PD 控制器。 控制器完成與功率接收設(shè)備之間必要的握手，然后將正確的設(shè)置信息傳送到 DC/DC 變換器，以確保將電力輸送到 USB 端口。 下面的討論將以帶控制器的 DC/DC 變換器為例。
USB Type-C降壓變換器解決方案
一個(gè)理想的 USB C 降壓變換器解決方案應(yīng)包括高效同步開(kāi)關(guān) FET、具有內(nèi)置補(bǔ)償功能的多功能控制元件，以及串行通信接口以提供與 USB 控制器設(shè)備之間的直連鏈路。MPS 的 MPQ4272即具備這些功能，而且可以為雙端口 USB 應(yīng)用提供雙輸出配置。我們將以該器件為例來(lái)說(shuō)明降壓 USB Type-C 解決方案。MPQ4272 降壓變換器提供最大 36V 輸入電壓和每輸出高達(dá) 3A 的負(fù)載電流，可以實(shí)現(xiàn)60W雙輸出電源解決方案（見(jiàn)圖 3）。
圖3: VIN = 24V, VOUT1, VOUT2 = 3.3V 至21V, 3A 負(fù)載電流
圖 3 顯示的電路將來(lái)自 AC/DC 壁式適配器的 24V 輸入轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輸出，適用于 PPS 3.3V 至 21V 的輸出電壓范圍。SCL和SDA為 I2C 串行接口信號(hào)，可訪問(wèn)寄存器以進(jìn)行一般控制以及電流和電壓控制。 該電路還提供遙測(cè)功能，用于電壓、電流和溫度監(jiān)測(cè)。
該解決方案的特點(diǎn)包括：用于改進(jìn) USB 輸出電壓調(diào)節(jié)的線(xiàn)路壓降補(bǔ)償、可選開(kāi)關(guān)頻率和高達(dá) 98% 的效率（見(jiàn)圖 4）。這種高效率源自功率 MOSFET上管22mΩ 和下管 26mΩ 的低導(dǎo)通電阻，其產(chǎn)生的功耗超低，在雙通道均為5V/3A 負(fù)載供電的條件下，外殼溫升僅為40°C （建議在 4 層 PCB 上布局）。
圖4: MPQ4272效率曲線(xiàn)
輸出電壓控制功能可以調(diào)整步長(zhǎng)并輕松實(shí)現(xiàn)20mV的步長(zhǎng)；而恒流控制模式則可以提供PPS要求的50mA步長(zhǎng)。
升降壓USB Type-C解決方案
使用其他較低電源電壓的 USB Type-C 電源產(chǎn)品（例如 12V 壁式適配器或具有不同輸入源的設(shè)備）則同時(shí)需要降壓和升壓 DC/DC 模式，以生成完整的 3.3V 至 21V 輸出電壓范圍。
MPQ4230即提供了一種升降壓解決方案，它具有最大 36V 輸入電壓和四個(gè)集成開(kāi)關(guān) MOSFET，可以支持單電感升降壓變換。它能夠?yàn)?20V 輸出提供 3A 負(fù)載電流，輸入低至 9V。 作為最佳解決方案之一，MPQ4230 可以通過(guò)控制電路在降壓或升壓模式下均利落地進(jìn)行切換。當(dāng)輸入電源電壓接近穩(wěn)壓輸出電壓時(shí)，會(huì)啟用一種特殊的升降壓模式，所有四個(gè)開(kāi)關(guān)都按順序向負(fù)載提供有效的功率傳輸。輸出恒流和恒壓控制則實(shí)現(xiàn)了PPS 操作的適當(dāng)步長(zhǎng)。
圖 5 顯示了 MPQ4230 為具有 USB-PD 和 PPS 能力的USB Type-C 單端口供電。MPQ4230 的穩(wěn)壓輸出電壓直接連接至 MPQ5031的 USB VBUS 信號(hào)。PD 控制器由MPQ5031實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)下行端口 (DFP)，適用于USB 供電應(yīng)用。 它用 I2C 串行接口來(lái)控制 MPQ4230 的操作，包括啟用器件、設(shè)置輸出電壓和電流限制以及調(diào)整線(xiàn)路壓降補(bǔ)償?shù)葏?shù)。
圖5: VIN = 12V, VOUT = 3.3V 至 21V，用于USB PD 和 PPS 應(yīng)用
結(jié)論
現(xiàn)有USB 單端口和多端口電源產(chǎn)品可提供擴(kuò)展功能，以更好地控制多種應(yīng)用，包括支持PPS的直接電池充電。本文展示了要求USB-PD 和 PPS 功能的USB Type-C 端口供電設(shè)備和解決方案，這種需求在用于各種應(yīng)用的最新消費(fèi)類(lèi)和汽車(chē)產(chǎn)品中變得越來(lái)越普遍。 這些解決方案均具有高效率、全面保護(hù)功能和多樣的可編程功能，可提供經(jīng)濟(jì)高效的高性能電力輸送。
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