降压升压充电+USB Type-C™PD是怎样提升功率密度的。
2020-09-02 17:37 ryder
USB Type-C被广泛选用的一大关键性优势是它被认为是现在完成通用适配器和减少相应电子废弃物减少理想计划。尽管USB Type-C接口是一致的，但是不同适配器的额定功率和电压依然有很大的差异，这里面包含了传统的5 V USB适配器和可以供给5 V到20 V电压规模的USB PD适配器。此外，不同的便携式设备内部的电池数串联节数也有可能不同。这就要求电池充电器集成电路（IC）选用降压-升压拓扑结构， 去适应输入电压和电池电压的这些任意的改变。 具有高功率密度的降压-升压充电芯片不仅可以集成通用的充电功用模块，也可以集成USB PD充电体系中的其他元件，如负载开关和DC/DC转化器，以简化体系规划，下降物料清单（BOM）成本，并坚持小尺寸的整体解决计划。图1显示了USB PD充电解决计划的体系框图。
图一
为支撑移动USB OTG充电标准，当适配器不存在时，电池经过DC/DC转化器放电，在VBUS输出一个稳定电压去给外部设备供电。假如USB Type-C端口需要支撑快速角色交流（FRS）的功用，则有必要敞开DC/DC转化器并始终处于待机状况，即便已将适配器刺进USB Type-C端口。当适配器断开时，放电电源路径中的背对背MOSFETs敏捷打开，将U3输出电压传递给VBUS并坚持VBUS电压不下跌。在这个过程中，始终坚持DC/DC转化器敞开的状况实际上会给整个体系形成额定的静态电流丢失。
图2中所示的全集成降压-升压充电芯片可以简化USB PD充电解决计划的体系级规划。首要，将输入电流检测电路集成到芯片中。经过该电路检测到的输入电流，充电器供给输入电流调理和输入电流过流维护来防止适配器过载。 其次，作为输入过电压和过电流维护电路的一部分，外部背对背MOSFET的控制逻辑和驱动电路也被集成到充电器中。这些功用使得从框图中消除支撑输入功率路径管理和输入电流检测的单元成为可能。
经过完成四个FETs的降压-升压转化器的双向操作，充电芯片本身可以支撑OTG形式。当适配器刺进USB端口时，充电芯片以正向充电形式作业，功率从VBUS流向电池。当适配器断开时，功率从电池流向VBUS。VBUS处的OTG输出电压覆盖从2.8 V到22 V的全USB PD电压规模，具有10mV可编程步长，与USB PD 3.0标准兼容。
图二
为了支撑USB Type-C端口的FRS功用，此集成降压-升压充电芯片完成了一种新的备用形式。在本文中，备用形式是指降压-升压充电芯片从正向充电形式到反向OTG形式的快速转化，从而防止总线电压的下跌。查看图3中的应用框图，适配器连接到USB端口，为体系供电，并经过降压-升压功率级为电池充电。一起，适配器可以从充电器的PMID输出为体系配件供电。假如降压-升压充电芯片不支撑备用形式的话，当适配器断移走时，电池依然可以经过芯片内部的FET为体系供电。但是，PMID上的配件供电可能会掉电。
充电芯片启用备用形式后，可以监测VBUS电压。VBUS电压下跌低于预设阈值可以作为适配器已移除的信号。一旦充电芯片检测到适配器已移除，它将以敏捷的从正向充电形式切换到反向OTG形式，使用电池放电的能量去维持住VBUS电压，并自行完成FRS。当适配器移除时，体系本身以及体系配件的供电都可以从适配器无缝地切换到电池，这样的作法可以从框图中消除用于OTG形式和FRS的DC/DC转化器。
图4显示了充电芯片用作支撑FRS的备用形式的测验波形。在USB1处连接了9 V适配器作为输入电源。当适配器刺进后，充电芯片打开ACFET1-RBFET1将适配器接入VBUS。该波形的测验条件是，PMID处有1 A的电流给体系附件供电，BAT处有1 A的充电电流。当9 V适配器电压（VAC）移除时，充电芯片敏捷的从正向充电形式转向反向OTG形式， 仍可以将PMID和VBUS维持在5 V，一起持续向1 A PMID负载供电。
图三
图四
以上描绘的一切功用都有助于简化USB PD充电解决计划的体系级规划，并且TI已经在新式降压-升压充电芯片BQ25790和BQ25792中完成。这些充电芯片支撑从3.6 V到24 V的输入电压规模为1到4节串联电池充电，输入规模覆盖了整个USB PD电压规模。
这些功用选用2.9 mm×3.3 mm晶圆尺寸封装或4 mm×4 mm方形扁平无铅封装。整个充电解决计划可以供给45 W的功率，功率密度约为100 W/in2 (150mV/mm2)，是商场同类产品的两倍。
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