作者：Jeff Shepard
用于鋰離子和鋰聚合物電池的通用電池充電器與用于隨身充電 (OTG) 的 USB 3.0 供電 (PD) 技術(shù)一起使用的應(yīng)用越來越廣泛，包括無人機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦、無繩吸塵器、便攜式醫(yī)療設(shè)備、無線揚(yáng)聲器和電子收銀機(jī)設(shè)備。在這些應(yīng)用中，一直要求設(shè)計(jì)者減少充電時(shí)間和外形尺寸，提高功率密度，并降低成本。
降壓升壓電池充電器與 USB PD 相結(jié)合，可以開發(fā)出快速、高效、通用的輸入充電解決方案。但這些設(shè)備并不簡(jiǎn)單，將它們?cè)O(shè)計(jì)成支持 USB OTG 規(guī)范可能需要大量的時(shí)間。這增加了成本，并可能影響設(shè)計(jì)進(jìn)度。由于需要遵守 USB 快速角色交換 (FRS) 的時(shí)間和控制標(biāo)準(zhǔn)，以確保正在提供電力的設(shè)備能夠迅速成為電源消耗者，并保證數(shù)據(jù)連接不間斷，因此設(shè)計(jì)過程可能變得更加復(fù)雜。
對(duì)于 USB PD 通用充電應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以通過轉(zhuǎn)向集成充電器來解決其中許多問題。集成充電器可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，支持全功能和緊湊型降壓升壓充電解決方案的實(shí)現(xiàn)，以低零件數(shù)和高功率密度提供高功率、快速充電。
本文簡(jiǎn)要探討了基于 USB 3.0 和 USB Type-C® 的通用充電需求，以及實(shí)現(xiàn)降壓升壓通用輸入 USB OTG 和 FRS 解決方案的復(fù)雜性。然后將回顧使用集成設(shè)備的好處，并介紹了 Texas Instruments 具有雙輸入選擇器以及 USB PD 3.0 OTG 和 FRS 支持的集成降壓升壓充電解決方案。最后還介紹了一個(gè)支持性評(píng)估模塊，以幫助設(shè)計(jì)者開始設(shè)計(jì)其下一個(gè)具有 OTG 和 FRS 功能的通用輸入 USB PD 充電器。
通用和 OTG 充電與 FRS 的復(fù)雜性
通過建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的連接器，USB Type-C 幫助實(shí)現(xiàn)了通用交流電源適配器的開發(fā)和電子垃圾的減少。但標(biāo)準(zhǔn)化連接器只是其中一個(gè)因素。便攜式設(shè)備的電池的芯數(shù)各不相同，且要求適配器額定功率范圍大，電壓橫跨 5 伏到 20 伏。不同適配器額定功率與不同電池電壓的組合，意味著 USB PD 充電解決方案架構(gòu)是復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的（圖 1）。
圖 1：USB PD 充電解決方案的內(nèi)部設(shè)計(jì)可能很復(fù)雜，因?yàn)樗仨氝m應(yīng)廣泛變化的電池單元配置和適配器電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
首先，USB PD 控制器 (U4) 必須識(shí)別適配器規(guī)格，包括：USB 電池充電規(guī)范修訂版 1.2 (USB BC1.2)、標(biāo)準(zhǔn)下行端口 (SDP)、充電下行端口 (CDP)、專用充電端口 (DCP)、高電壓專用充電端口 (HVDCP)，甚至非標(biāo)準(zhǔn)適配器。USB PD 控制器與適配器之間完成通信之后，輸入電源路徑管理和電流檢測(cè)單元 (U1) 打開背對(duì)背的功率 MOSFET，將輸入電壓從 VBUS 連接到降壓充電器 (U2) 的輸入端。輸入電源路徑管理單元還通過檢測(cè)電阻感應(yīng)輸入電壓和電流，以支持過壓和過流保護(hù)。
在降壓升壓充電器單元 (U2) 中還有四個(gè)附加 MOSFET，根據(jù)電池電壓的要求提高或降低輸入電壓。在降壓升壓充電器的輸出端需要另一個(gè)功率 MOSFET 和一個(gè)電流檢測(cè)電阻，以支持 USB PD 充電器的窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理和充電電流檢測(cè)。
NVDC 電源路徑管理是一個(gè)特定的控制協(xié)議，它將系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至略高于電池電壓，并且不允許電壓下降到最低系統(tǒng)電壓以下。最低系統(tǒng)電壓是指，即使在電池被移除或完全放電的情況下也能使系統(tǒng)運(yùn)行的電壓水平。此外，如果系統(tǒng)功率需求超過了輸入適配器的額定值，電池補(bǔ)充模式就會(huì)支持額外的系統(tǒng)功率需求，防止適配器過載。
OTG 電源和 FRS
為了支持 OTG 供電，圖 1 中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 (U3) 用來對(duì)電池放電，以在 VBUS 上提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，從而在適配器被移除時(shí)為外部設(shè)備供電，這是 USB OTG 規(guī)范的要求。如果還需要 FRS，DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須被啟用并連續(xù)保持在待機(jī)模式，即使有一個(gè)適配器通過 USB Type-C 端口連接到 VBUS。如果適配器斷開，連接到 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的背對(duì)背功率 MOSFET 就會(huì)打開，并連接轉(zhuǎn)換器的輸出，以保持 VBUS 并啟用 FRS。這種方法的缺點(diǎn)是，保持 DC-DC 轉(zhuǎn)換器處于待機(jī)狀態(tài)會(huì)增加系統(tǒng)的靜態(tài)電流損失。
集成 1 至 4 芯的降壓升壓充電器，具有 USB OTG 和 FRS 功能
如圖所示，設(shè)計(jì)一個(gè)通用 USB PD 充電解決方案以支持 OTG 和 FRS 可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。對(duì)于使用一至四芯鋰離子電池或鋰聚合物電池的應(yīng)用來說，Texas Instruments 為設(shè)計(jì)人員提供了 BQ25792RQMR 全集成降壓升壓充電器，支持 USB Type-C 和 USB PD 的全部輸入和輸出 OTG 電壓范圍，大大簡(jiǎn)化了完整的 USB PD 充電解決方案的設(shè)計(jì)，包括 FRS 支持（圖 2）。一個(gè)可選的雙輸入電源多路復(fù)用控制器可以為兩個(gè)不同的輸入電源提供支持：即 VIN1 的 USB Type-C 連接器和 VIN2 的輔助電源。
圖 2：BQ25792 全集成降壓升壓充電器簡(jiǎn)化了完整的 USB PD 充電解決方案的設(shè)計(jì)。（圖片來源：Texas Instruments）
BQ25792 支持廣泛的輸入，具體包括：
· 3.6 至 24 伏輸入電壓范圍。
· 檢測(cè) USB BC1.2、SDP、CDP、DCP、HVDCP 和非標(biāo)準(zhǔn)適配器。
· 未知輸入源的最大功率點(diǎn)檢測(cè)。
BQ25792 包括集成輸入電流檢測(cè)，能夠讓充電器調(diào)節(jié)輸入電流并提供輸入過流保護(hù)，防止適配器過載。此外，外部背對(duì)背功率 MOSFET 的控制和驅(qū)動(dòng)電路被整合為輸入過壓和過流保護(hù)電路的一部分，取代了圖 1 中輸入電源路徑管理和電流檢測(cè)單元 (U1) 的功能。
圖 1 降壓升壓充電器單元 (U2) 中集成的四個(gè) MOSFET 能夠讓 BQ25792 充電器支持 OTG 充電。適配器存在時(shí)，充電器在標(biāo)準(zhǔn)充電模式下運(yùn)行。適配器斷開時(shí)，電流就會(huì)反過來，從電池流向 VBUS。BQ25792 兼容完整的 USB PD 3.0 電壓范圍規(guī)范，從 2.8 伏到 22 伏，可按 10 毫伏 (mV) 步長(zhǎng)進(jìn)行編程。
支持 FRS 的新方法
USB Type-C 端口對(duì) FRS 的支持是通過一個(gè)稱為備用模式的功能實(shí)現(xiàn)的，該功能消除了對(duì)圖 1 中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 (U3) 的需要。BQ25792 支持降壓升壓充電器部分從正向充電模式到反向 OTG 模式的超快速切換，而不會(huì)出現(xiàn)總線電壓超出規(guī)格的情況。
在正常操作下，適配器通過 VIN1 端口連接到 BQ25792，為電池充電，同時(shí)通過 PMID 輸出為系統(tǒng)和任何供電附件提供電源。如果適配器斷開，電池仍然可以為系統(tǒng)提供電源，但連接到 PMID 引腳的配件可能會(huì)失去電源。
使用備用模式時(shí)，充電器會(huì)不斷監(jiān)測(cè) VBUS 電壓。當(dāng) VBUS 下降到閾值水平以下時(shí)（表明失去了來自適配器的輸入），充電器會(huì)迅速從充電模式轉(zhuǎn)變?yōu)?OTG 模式，從電池放電，調(diào)節(jié) VBUS 電壓，并進(jìn)行 FRS，而不需要額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。在 BQ25792 中用備用電源模式實(shí)現(xiàn) FRS，可以確保任何連接到 PMID 引腳的配件在 VBUS 電壓下降時(shí)不會(huì)失去電源（圖 3）。
圖 3：在 BQ25792 中用備用電源模式實(shí)現(xiàn) FRS，可以確保任何連接到 PMID 引腳的配件在 VBUS 電壓下降時(shí)不會(huì)失去電源。（圖片來源：Texas Instruments）
BQ25792 提供了1.5 兆赫 (MHz) 或 750 千赫 (kHz) 開關(guān)頻率選擇，使設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)應(yīng)用的需要權(quán)衡解決方案的大小和效率。使用 1.5 MHz 的開關(guān)頻率可以使用小的電感（1 微亨利 (μH)）和電容值。使用 750 kHz 的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，但由于電感 (2.2 μH) 和電容較大，導(dǎo)致解決方案尺寸也較大。
為了延長(zhǎng)電池壽命，盡量減少電力損耗，系統(tǒng)在閑置、運(yùn)輸或儲(chǔ)存期間是關(guān)閉電源的。在“運(yùn)輸模式”下，I2C 仍被啟用，但充電器的系統(tǒng)時(shí)鐘變慢，以盡量減少器件的靜態(tài)電流。在正常操作下，對(duì)于只用電池的操作，靜態(tài)電流為 21 微安 (μA)。在“運(yùn)輸模式”下，靜態(tài)電流下降到 600 納安 (nA)。
為了幫助設(shè)計(jì)人員開始使用 BQ25792，Texas Instruments 提供了 BQ25792EVM 評(píng)估板 (EVB) 來實(shí)現(xiàn)同步降壓升壓充電器，為 1 至 4 芯電池提供高達(dá) 5 A 的充電電流，分辨率為 10 mA（圖 4）。這個(gè) EVB 包括一個(gè)接口，可以在充電和 USB OTG 模式之間切換。此外，用戶可以通過一個(gè)集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 監(jiān)測(cè)充電器狀態(tài)、電壓和電流以及任何故障。
圖 4：BQ25792EVM 評(píng)估板可用于實(shí)現(xiàn)同步降壓升壓充電器，提供高達(dá) 5A 的充電電流。（圖片來源：Texas Instruments）
該評(píng)估板的其他特點(diǎn)包括：
· USB 自動(dòng)檢測(cè)、USB PD 和無線輸入，支持 3.6 至 24 伏輸入
· 雙輸入源選擇器，驅(qū)動(dòng)雙向阻斷 NFET
· USB OTG 供電，2.8 至 22 伏輸出，分辨率為 10 mV
· 在關(guān)機(jī)/運(yùn)輸模式下，靜態(tài)電流低于 1 μA
· 眾多的測(cè)試點(diǎn)、跳線和檢測(cè)電阻支持電壓和電流測(cè)量
結(jié)語
綜上所述，設(shè)計(jì)一個(gè)通用的 USB PD 充電解決方案可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，設(shè)計(jì)支持 USB OTG 規(guī)范的充電器可能需要大量的時(shí)間。由于需要遵守 USB 快速角色交換 (FRS) 的時(shí)間和控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)過程會(huì)變得更加復(fù)雜。其結(jié)果可能是增加成本和影響設(shè)計(jì)進(jìn)度。
為了避免這種情況，市面上提供了集成式降壓充電器，可支持便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)者對(duì) USB PD、OTG 充電的需求。它們遵守 USB FRS 定時(shí)和控制標(biāo)準(zhǔn)，減少了鋰電池的充電時(shí)間，縮小了外形尺寸，提高了功率密度，降低了成本，并加快產(chǎn)品上市速度。 |
