使用升降压电池充电器设计USB Type-C/USB PD设备

USB Type-C 和 USB Power Delivery (PD) 规范于 2014 年首次发布。从那时起，配备支持 USB PD 的 USB Type-C 端口的电子设备变得普遍。USB Type-C 端口旨在支持符合 USB PD 标准的高功率功能，从而为笔记本电脑、手机、便携式扬声器和移动电源等设备提供更灵活、更快速的充电。

USB Type-C 端口具有翻转能力和四个 VBUS 电源引脚(传统 USB Type-A 和 Micro-B 中只有一个)。与之前的 5-V/0.1-A 至 1.5-A VBUS 相比，USB PD 提供了从 5 V/0.1 A 到高达 20 V/5 A 的灵活电源配置范围，可实现更快的充电。最新的 USB PD 3.0 标准增加了可编程电源 (PPS) 功能，VBUS 支持 20 mV 或更小的调整步长，以满足快速充电方案(如闪存充电器或开关电容充电器)的要求。这些充电器显着提高了充电电流和效率，但也需要不断调整 VBUS 以跟上电池电压的变化。

USB Type-C/USB PD 能够支持广泛的电源配置及其向后兼容性，成为更通用的充电解决方案，从而显着减少了不同类型的电缆和连接器的数量。您可以使用 USB Type-C/USB PD 壁式适配器或移动电源使用同一根电缆为每个兼容的电子设备充电。

图 1：USB Type-C 连接器的引脚排列。

用于 USB PD 的降压-升压充电器

应用的功率水平通常会决定电池配置和 USB PD 功率曲线。以下是各种锂离子电池配置和功率级别的一些典型应用：

单电池 (1S) 配置： 主要用于智能手机、运动相机和小型无线扬声器等小型电子产品。这些电子设备中的大多数都具有 5-V/3-A 或更低的功率曲线;高端智能手机例外，其中更高功率和快速充电方案经常被吹捧为产品功能。

两节串联 (2S) 配置： 这些应用通常支持更高的功率配置，并且通常被二合一平板电脑、USB PD 移动电源和电子销售点设备等应用所采用。

三芯和四芯串联 (3S–4S) 配置： 这些电池具有更高的电压，用于更大的设备，如笔记本电脑、大功率智能扬声器和消费级无人机。3S 到 4S 应用中的常见功率配置文件可能达到 45 W(15 V/3 A 或 20 V/2.25 A)及以上。

对于多节充电器来说，支持单节配置也是一项有用的功能。这种灵活性允许在使用不同电池配置的产品之间重复使用设计，而对产品的更改最少。

降压-升压充电器提供降压、降压-升压和升压工作模式。在 PD 中需要这些工作模式有两个原因。第一个原因与 USB PD 的宽输入电压范围有关。例如，假设您要设计一款带有 USB Type-C/USB PD 的电池供电智能音箱。为了轻松支持强大的音频放大器，您选择了 3S 电池。您希望它与小型 5-V/2-A 至 3-A 旅行适配器、具有 20-V/2.25-A USB PD 功能的更大笔记本电脑适配器以及介于两者之间的东西兼容。3S配置下，电池标称电压约为11.1V。使用5V旅行适配器，充电器需要将输入电压升压至电池;但是，使用 20-V/2.25-A 适配器时，充电器需要将其降压。

第二个原因是电池电压随着充电状态(SoC)的不同而变化。典型的 3S 电池电压可以从空时的 9 mV (0% SoC) 到充满时的 12.6 V (100% SoC) 不等。如果适配器在功率协商后提供 12V 的电压，它将在低充电状态下为 3S 电池充电，并在电池继续充电时处于降压-升压和升压模式(充电器处于降压-升压模式)当输入电压处于与电池电压相似的水平时)。图 2 显示了具有不同 VBUS USB PD 配置文件和电池充电状态的 3S 电池的降压-升压充电器 IC 的不同工作模式示例。

图 2：升降压充电器的工作模式，在充电和源模式下具有各种输入电压和充电状态。

您有时可能需要使用 USB 充电端口作为电源设备，以通过 USB 电源模式(或过去的 On-The-Go 模式)为外部设备供电。要支持 USB PD 作为源设备，您还需要一个升降压充电器。假设您想为您正在设计的智能扬声器添加电源功能。要在 VBUS 上提供 5 V 作为电源，扬声器需要将 3S 电池的电压降下来;要提供 20 V 电压，VBUS 需要从 3S 电池升压。升降压充电器可以使用同一组外部场效应晶体管 (FET) 管理灌电流和拉电流，从而使设计的功能更加丰富而不会增加成本。例如，为了在移动电源设计中支持源模式下的 PPS 功能，VBUS 需要以小于或等于 20 mV 的增量步长产生电压。

升降压充电器的工作原理

查看图 3中的升降压充电器拓扑结构，有四个开关 FET 实现升降压功能(不要与升降压模式混淆，其中输入电压在水平类似于系统或电池电压)。在降压模式下，Q1 和 Q2 FET 不断切换以降低适配器电压;第三季度保持关闭，第四季度保持开启。在升压模式下，Q1 保持开启，Q2 保持关闭，Q3 和 Q4 切换以提升电压。

在降压-升压模式下，当输入和输出电压处于相似水平时，Q1、Q2、Q3 和 Q4 传统上需要在一个周期内切换一次。同样的操作原理在 USB PD 源模式下也适用。德州仪器 (TI) 拥有一项创新技术，在降压-升压模式下每个周期只允许两个 FET 开关一次。该技术大大提高了电源效率并减少了散热。直通模式 (PTM) 可以通过保持 Q1/Q4 始终开启和 Q2/Q3 始终关闭来进一步提高效率。

在 PTM 中，系统电压等于适配器输入电压。输入功率通过 Q1、电感器和 Q4 直接进入系统，开关损耗可忽略不计，并且没有电感器磁芯损耗。PTM 可用于大电流闪充和小电流轻负载操作以提高效率。

图 3：TI BQ25713 升降压充电器的应用示意图。

USB Type-C/USB PD充电系统及设计考虑

在USB Type-C/USB PD充电系统中，除了buck-boost充电器外，其他功能模块可能包括接口保护芯片、PD控制器、电量计和电池保护器，以及电源路径协调和 LED 操作的通用控制功能。通用控制可以通过独立的微控制器 (MCU) 实现，也可以集成到 PD 控制器中。USB PD 控制器检测插件事件、识别设备角色并协商功率级别。一个 I 2 C 或 SMBus 接口配置充电参数。

仪表和电池保护器通常位于电池组内。该仪表测量电池的充电状态，并可与 MCU 通信以实时调整充电参数。电池保护器实现电池平衡、电压、电流和温度保护，有时集成到仪表中。图 4 显示了典型电池系统的主要模块。

图 4：带有 USB Type-C 端口的电池系统框图。

您将需要考虑充电性能和功能，以使您的系统散热更少、更具成本效益并与通用电源兼容。为了获得酷炫的充电体验，需要在不同负载的各种工作模式(降压、升压和升降压)下保持较高的功率效率。

在系统需要知道输入和电池电流/电压等参数才能采取行动的应用中，集成的模数转换器 (ADC) 使测量变得容易。由于不同的 USB 适配器可能具有不同的功率配置文件，并且电缆可能具有不同的电阻，因此了解电源的最大功率容量以避免使其崩溃很重要。TI 的输入电流优化 (ICO) 功能使系统能够在插入电源时自动捕获最大功率。此功能允许系统安全地从各种适配器获取最大功率，即使是具有大阻抗和长电缆的未知适配器。电源路径功能更适用于在插入适配器时使用深度放电的电池立即启动系统。

结论

USB Type-C/USB PD 的市场需求只会继续上升，因为该技术的易用性和广泛的功率配置文件。为满足 USB Type-C/USB PD 充电系统设计需求，需要使用升降压充电器对输入电压进行升压和降压，从而为电池充电并为系统供电。请务必寻找在不同模式下高效运行的充电器，并在您的下一个设计中集成 ICO、ADC 和电源路径等功能，以实现快速、凉爽的充电和优化的系统解决方案成本。

审核编辑：汤梓红