近幾年,降壓-升壓型充電器變得越來越流行,因?yàn)樗軌驈膸缀跞魏屋斎朐礊殡姵爻潆?無論輸入電壓是高于或低于電池電壓。

USB Type-C被廣泛采用的一大關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)是它被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)通用適配器和減少相應(yīng)電子廢棄物減少理想方案。雖然USB Type-C接口是統(tǒng)一的,但是不同適配器的額定功率和電壓仍然有很大的差異,這里面包含了傳統(tǒng)的5 V USB適配器和能夠提供5 V到20 V電壓范圍的USB PD適配器。此外,不同的便攜式設(shè)備內(nèi)部的電池?cái)?shù)串聯(lián)節(jié)數(shù)也有可能不同。這就要求電池充電器集成電路(IC)采用降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 去適應(yīng)輸入電壓和電池電壓的這些任意的變化。 具有高功率密度的降壓-升壓充電芯片不僅可以集成通用的充電功能模塊,也可以集成USB PD充電系統(tǒng)中的其他元件,如負(fù)載開關(guān)和DC/DC轉(zhuǎn)換器,以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),降低物料清單(BOM)成本,并保持小尺寸的整體解決方案。圖1顯示了USB PD充電解決方案的系統(tǒng)框圖。

圖1 USB PD充電解決方案的系統(tǒng)框圖。

為支持移動(dòng)USB OTG充電規(guī)格,當(dāng)適配器不存在時(shí),電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換器放電,在V_BUS輸出一個(gè)恒定電壓去給外部設(shè)備供電。如果USB Type-C端口需要支持快速角色交換(FRS)的功能,則必須開啟DC/DC轉(zhuǎn)換器并始終處于待機(jī)狀態(tài),即使已將適配器插入USB Type-C端口。當(dāng)適配器斷開時(shí),放電電源路徑中的背對(duì)背MOSFETs迅速打開,將U3輸出電壓傳遞給V_BUS并保持V_BUS電壓不跌落。在這個(gè)過程中,始終保持DC/DC轉(zhuǎn)換器開啟的狀態(tài)實(shí)際上會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)造成額外的靜態(tài)電流損失。

圖2中所示的全集成降壓-升壓充電芯片可以簡(jiǎn)化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。首先,將輸入電流檢測(cè)電路集成到芯片中。通過該電路檢測(cè)到的輸入電流,充電器提供輸入電流調(diào)節(jié)和輸入電流過流保護(hù)來避免適配器過載。 其次,作為輸入過電壓和過電流保護(hù)電路的一部分,外部背對(duì)背MOSFET的控制邏輯和驅(qū)動(dòng)電路也被集成到充電器中。這些功能使得從框圖中消除支持輸入功率路徑管理和輸入電流檢測(cè)的單元成為可能。

通過實(shí)現(xiàn)四個(gè)FETs的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的雙向操作,充電芯片自身可以支持OTG模式。當(dāng)適配器插入USB端口時(shí),充電芯片以正向充電模式工作,功率從V_BUS流向電池。當(dāng)適配器斷開時(shí),功率從電池流向V_BUS。V_BUS處的OTG輸出電壓覆蓋從2.8 V到22 V的全USB PD電壓范圍,具有10mV可編程步長(zhǎng),與USB PD 3.0規(guī)格兼容。

圖2全集成降壓-升壓充電芯片。

為了支持USB Type-C端口的FRS功能,此集成降壓-升壓充電芯片實(shí)現(xiàn)了一種新的備用模式。在本文中,備用模式是指降壓-升壓充電芯片從正向充電模式到反向OTG模式的快速轉(zhuǎn)換,從而避免總線電壓的跌落。查看圖3中的應(yīng)用框圖,適配器連接到USB端口,為系統(tǒng)供電,并通過降壓-升壓功率級(jí)為電池充電。同時(shí),適配器可以從充電器的PMID輸出為系統(tǒng)配件供電。如果降壓-升壓充電芯片不支持備用模式的話,當(dāng)適配器斷移走時(shí),電池仍然可以通過芯片內(nèi)部的FET為系統(tǒng)供電。然而,PMID上的配件供電可能會(huì)掉電。

充電芯片啟用備用模式后,能夠監(jiān)測(cè)V_BUS電壓。V_BUS電壓跌落低于預(yù)設(shè)閾值可以作為適配器已移除的信號(hào)。一旦充電芯片檢測(cè)到適配器已移除,它將以迅速的從正向充電模式切換到反向OTG模式,利用電池放電的能量去維持住V_BUS電壓,并自行實(shí)現(xiàn)FRS。當(dāng)適配器移除時(shí),系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)配件的供電都可以從適配器無縫地切換到電池,這樣的作法可以從框圖中消除用于OTG模式和FRS的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖4顯示了充電芯片用作支持FRS的備用模式的測(cè)試波形。在USB1處連接了9 V適配器作為輸入電源。當(dāng)適配器插入后,充電芯片打開ACFET1-RBFET1將適配器接入V_BUS。該波形的測(cè)試條件是,PMID處有1 A的電流給系統(tǒng)附件供電,BAT處有1 A的充電電流。當(dāng)9 V適配器電壓(V_AC)移除時(shí),充電芯片迅速的從正向充電模式轉(zhuǎn)向反向OTG模式, 仍可以將PMID和V_BUS維持在5 V,同時(shí)持續(xù)向1 A PMID負(fù)載供電。

圖3 用單個(gè)降壓-升壓充電器實(shí)現(xiàn)USB Type-C FRS。

以上描述的所有功能都有助于簡(jiǎn)化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì),并且TI已經(jīng)在新型降壓-升壓充電芯片 BQ25790 和 BQ25792 中實(shí)現(xiàn)。這些充電芯片支持從3.6 V到24 V的輸入電壓范圍為1到4節(jié)串聯(lián)電池充電,輸入范圍覆蓋了整個(gè)USB PD電壓范圍。

這些功能采用2.9 mm×3.3 mm晶圓尺寸封裝或4 mm×4 mm方形扁平無鉛封裝。整個(gè)充電解決方案能夠提供45 W的功率,功率密度約為100 W/in² (150mV/mm²),是市場(chǎng)同類產(chǎn)品的兩倍。

圖4 從V_BUS sink 到 V_BUS source的降壓-升壓充電器FRS。

其他資源

●   閱讀 BQ25790數(shù)據(jù)表 和 BQ25792數(shù)據(jù)表 。

●   閱讀技術(shù)文章 通用快速充電是電池充電應(yīng)用的未來趨勢(shì) 。