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USB Type-C/QC快充最合适的电源控制器解析
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2017-11-08
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随着电脑、手机、数码相机等电子产品的普及，电子设备间通过互联来传输数据以及快速充电的应用越来越多，这就使USB type-c和Quick Charge（QC）成为市场发展的新趋势。USB type-c接口的目标是将不同电子设备之间的互联采用统一的接口，同时可以提供电源和传输数据，也支持音视频和客户个性化的通信协议。而Quick Charge是通过提升输出电压来降低电缆和接头上的损耗以增大输出功率，并通过USB 信号线D+、D-的不同状态来设定输出电压。
因此，要想满足USB type-c和Quick Charge这两个标准，就需要一款能够根据用电设备的要求进行电压调节的电源控制器。安森美半导体的单电感H桥升降压电源控制器 NCP81239就是非常理想的选择。它可以适配宽输入电压范围和宽输出电压范围，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器（MCU）配合进行输出电压的步进调整，且可在同一个type-c端口实现多种快充协议，还能对接苹果LighTIng 接口快充协议、三星接口快充协议等等。
NCP81239的功能特性及工作原理
NCP81239支持宽输入电压范围，提供从150 kHz至1.2 MHz动态可编程的开关频率，集成4个MOSFET驱动，采用双沿电流模式控制，支持输出预偏置启动，自适应死区时间控制防止直通，具有独立的输入和输出电流检测，输出电压（范围0至20V）可以通过I2C 编程，集成过压、欠压、过流和精确的过载保护等完善的保护功能，同时还提供对5 V Vconn电源的保护。
图1：NCP81239典型应用电路图
NCP81239采用双沿电流模式升降压控制，可实现降压模式到升压模式的无缝切换。I²C接口仅用两条信号线实现双向串行通信，开漏极的连接可以方便的在不同逻辑电平间接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V逻辑电平的MCU。
输入输出电流可以通过高边的检测电阻进行检测，检测到的电压分为内部和外部两个通道：内部电流信号用于电流模式的环路控制和限流保护，过流保护可以通过内部寄存器进行设置或屏蔽，内部固定增益为10倍，内部电流值通过模数转换器（ADC）存入对应的寄存器，可以通过I2C读取；外部电流信号可以被MCU读取执行相应的软件操作，外部的阻抗可以设定电流测量的量程，电流检测运放跨导为5mS，外部也可以接电阻电容将电流信号滤成平均值。
NCP81239内置4通道7位ADC，可实现输入、输出之间的A/D转换，相应的值可通过I2C读取内部寄存器的方式进行读取。内部的反馈参考电压通过9位的DAC进行设定，参考电压范围为0 V到2.55 V，输出电压范围同时可以通过外部的分压网络进行设定。由于内部步长有9位ADC，步长比较小，所以便于用MCU I2C接口进行设定补偿电缆压降，从而使负载端电压可保持在设定值的误差范围内，非常适合QC3.0 或USB PD等需要调压的场合。 在USB PD、QC2.0、QC3.0等规格下，如需对输出电压进行动态的设定，会涉及到调压速率。如果调压速度过快会导致电感电流过冲，输出电压过冲或下冲。NCP81239内置寄存器，可通过I2C接口设置，从而控制调压时电压上升和下降的斜率。
NCP81239通过RS1检测输入的峰值电流来进行正向过流保护，限流模式为逐波加打嗝模式。无论在降压模式还是在升压模式，在一个周期中检测到过流时，会立即关断Q1限制输入功率。如果逐波限流的时间达到2mS或FB电压低于300毫伏，则进入快速关断模式，同时关断4个开关，10 mS 后会重新软启动到原来设定的输出电压和电流。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP1-CSN1的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流保护值如下表，默认值7.6 A。
因此，要想满足USB type-c和Quick Charge这两个标准，就需要一款能够根据用电设备的要求进行电压调节的电源控制器。安森美半导体的单电感H桥升降压电源控制器 NCP81239就是非常理想的选择。它可以适配宽输入电压范围和宽输出电压范围，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器（MCU）配合进行输出电压的步进调整，且可在同一个type-c端口实现多种快充协议，还能对接苹果LighTIng 接口快充协议、三星接口快充协议等等。
NCP81239的功能特性及工作原理
NCP81239支持宽输入电压范围，提供从150 kHz至1.2 MHz动态可编程的开关频率，集成4个MOSFET驱动，采用双沿电流模式控制，支持输出预偏置启动，自适应死区时间控制防止直通，具有独立的输入和输出电流检测，输出电压（范围0至20V）可以通过I2C 编程，集成过压、欠压、过流和精确的过载保护等完善的保护功能，同时还提供对5 V Vconn电源的保护。
图1：NCP81239典型应用电路图
NCP81239采用双沿电流模式升降压控制，可实现降压模式到升压模式的无缝切换。I²C接口仅用两条信号线实现双向串行通信，开漏极的连接可以方便的在不同逻辑电平间接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V逻辑电平的MCU。
输入输出电流可以通过高边的检测电阻进行检测，检测到的电压分为内部和外部两个通道：内部电流信号用于电流模式的环路控制和限流保护，过流保护可以通过内部寄存器进行设置或屏蔽，内部固定增益为10倍，内部电流值通过模数转换器（ADC）存入对应的寄存器，可以通过I2C读取；外部电流信号可以被MCU读取执行相应的软件操作，外部的阻抗可以设定电流测量的量程，电流检测运放跨导为5mS，外部也可以接电阻电容将电流信号滤成平均值。
NCP81239内置4通道7位ADC，可实现输入、输出之间的A/D转换，相应的值可通过I2C读取内部寄存器的方式进行读取。内部的反馈参考电压通过9位的DAC进行设定，参考电压范围为0 V到2.55 V，输出电压范围同时可以通过外部的分压网络进行设定。由于内部步长有9位ADC，步长比较小，所以便于用MCU I2C接口进行设定补偿电缆压降，从而使负载端电压可保持在设定值的误差范围内，非常适合QC3.0 或USB PD等需要调压的场合。 在USB PD、QC2.0、QC3.0等规格下，如需对输出电压进行动态的设定，会涉及到调压速率。如果调压速度过快会导致电感电流过冲，输出电压过冲或下冲。NCP81239内置寄存器，可通过I2C接口设置，从而控制调压时电压上升和下降的斜率。
NCP81239通过RS1检测输入的峰值电流来进行正向过流保护，限流模式为逐波加打嗝模式。无论在降压模式还是在升压模式，在一个周期中检测到过流时，会立即关断Q1限制输入功率。如果逐波限流的时间达到2mS或FB电压低于300毫伏，则进入快速关断模式，同时关断4个开关，10 mS 后会重新软启动到原来设定的输出电压和电流。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP1-CSN1的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流保护值如下表，默认值7.6 A。
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