【導(dǎo)讀】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VBUS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U(xiǎn)SB Type-C端口。當(dāng)適配器斷開時(shí)，放電電源路徑中的背對背MOSFETs迅速打開，將U3輸出電壓傳遞給VBUS并保持VBUS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化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。首先，將輸入電流檢測電路集成到芯片中。通過該電路檢測到的輸入電流，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U(xiǎn)SB端口時(shí)，充電芯片以正向充電模式工作，功率從VBUS流向電池。當(dāng)適配器斷開時(shí)，功率從電池流向VBUS。VBUS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，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VBUS電壓。VBUS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。一旦充電芯片檢測到適配器已移除，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VBUS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VBUS。該波形的測試條件是，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（VAC）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VBUS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。
圖4 從VBUS sink 到 VBUS source的降壓-升壓充電器FRS。
以上描述的所有功能都有助于簡化USB PD充電解決方案的系統(tǒng)級設(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)，是市場同類產(chǎn)品的兩倍。
其他資源
● Read the BQ25790 data sheet and theBQ25792 data sheet.
● Read the technical article, Universal and fast charging – a future trend for battery-powered applications.
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