安森美半導體的最新電源控制器NCP81239是USB Type-C和QC 3.0的理想選擇
隨著(zhù)電腦、手機、數碼相機等電子產(chǎn)品的普及，電子設備間通過(guò)互聯(lián)來(lái)傳輸數據以及快速充電的應用越來(lái)越多，這就使USB Type-C和Quick Charge（QC）成為市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢。USB Type-C接口的目標是將不同電子設備之間的互聯(lián)采用統一的接口，同時(shí)可以提供電源和傳輸數據，也支持音視頻和客戶(hù)個(gè)性化的通信協(xié)議。而Quick Charge是通過(guò)提升輸出電壓來(lái)降低電纜和接頭上的損耗以增大輸出功率，并通過(guò)USB 信號線(xiàn)D+、D-的不同狀態(tài)來(lái)設定輸出電壓。
因此，要想滿(mǎn)足USB Type-C和Quick Charge這兩個(gè)標準，就需要一款能夠根據用電設備的要求進(jìn)行電壓調節的電源控制器。安森美半導體的單電感H橋升降壓電源控制器 NCP81239就是非常理想的選擇。它可以適配寬輸入電壓范圍和寬輸出電壓范圍，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器(MCU)配合進(jìn)行輸出電壓的步進(jìn)調整，且可在同一個(gè)Type-C端口實(shí)現多種快充協(xié)議，還能對接蘋(píng)果Lighting 接口快充協(xié)議、三星接口快充協(xié)議等等。
NCP81239的功能特性及工作原理
NCP81239支持寬輸入電壓范圍，提供從150 kHz至1.2 MHz動(dòng)態(tài)可編程的開(kāi)關(guān)頻率，集成4個(gè)MOSFET驅動(dòng)，采用雙沿電流模式控制，支持輸出預偏置啟動(dòng)，自適應死區時(shí)間控制防止直通，具有獨立的輸入和輸出電流檢測，輸出電壓(范圍0至20V)可以通過(guò)I2C 編程，集成過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和精確的過(guò)載保護等完善的保護功能，同時(shí)還提供對5 V Vconn電源的保護。
NCP81239典型應用電路圖
NCP81239采用雙沿電流模式升降壓控制，可實(shí)現降壓模式到升壓模式的無(wú)縫切換。I²C接口僅用兩條信號線(xiàn)實(shí)現雙向串行通信，開(kāi)漏極的連接可以方便的在不同邏輯電平間接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V邏輯電平的MCU。
輸入輸出電流可以通過(guò)高邊的檢測電阻進(jìn)行檢測，檢測到的電壓分為內部和外部?jì)蓚�(gè)通道：內部電流信號用于電流模式的環(huán)路控制和限流保護，過(guò)流保護可以通過(guò)內部寄存器進(jìn)行設置或屏蔽，內部固定增益為10倍，內部電流值通過(guò)模數轉換器(ADC)存入對應的寄存器，可以通過(guò)I2C讀��；外部電流信號可以被MCU讀取執行相應的軟件操作，外部的阻抗可以設定電流測量的量程，電流檢測運放跨導為5mS，外部也可以接電阻電容將電流信號濾成平均值。
NCP81239內置4通道7位ADC，可實(shí)現輸入、輸出之間的A/D轉換，相應的值可通過(guò)I2C讀取內部寄存器的方式進(jìn)行讀取。內部的反饋參考電壓通過(guò)9位的DAC進(jìn)行設定，參考電壓范圍為0 V到2.55 V，輸出電壓范圍同時(shí)可以通過(guò)外部的分壓網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設定。由于內部步長(cháng)有9位ADC，步長(cháng)比較小，所以便于用MCU I2C接口進(jìn)行設定補償電纜壓降，從而使負載端電壓可保持在設定值的誤差范圍內，非常適合QC3.0 或USB PD等需要調壓的場(chǎng)合。
在USB PD、QC2.0、QC3.0等規格下，如需對輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設定，會(huì )涉及到調壓速率。如果調壓速度過(guò)快會(huì )導致電感電流過(guò)沖，輸出電壓過(guò)沖或下沖。NCP81239內置寄存器，可通過(guò)I2C接口設置，從而控制調壓時(shí)電壓上升和下降的斜率。
NCP81239通過(guò)RS1檢測輸入的峰值電流來(lái)進(jìn)行正向過(guò)流保護，限流模式為逐波加打嗝模式。無(wú)論在降壓模式還是在升壓模式，在一個(gè)周期中檢測到過(guò)流時(shí)，會(huì )立即關(guān)斷Q1限制輸入功率。如果逐波限流的時(shí)間達到2mS或FB電壓低于300毫伏，則進(jìn)入快速關(guān)斷模式，同時(shí)關(guān)斷4個(gè)開(kāi)關(guān)，10 mS 后會(huì )重新軟啟動(dòng)到原來(lái)設定的輸出電壓和電流。過(guò)流保護值可以通過(guò)I2C或電流檢測電阻進(jìn)行設定，電流檢測電阻的選擇要保證CSP1-CSN1的電壓在過(guò)流時(shí)也不要超過(guò)100mV的運放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測電阻，對應的峰值過(guò)流保護值如下表，默認值7.6 A。
表1：5 mΩ檢測電阻對應的峰值過(guò)流保護值(正向過(guò)流保護)
對4開(kāi)關(guān)同步整流的升降壓控制在輕載模式、重載到輕載的轉換過(guò)程、輸出過(guò)壓保護、輸出從高電壓向低電壓調整過(guò)程中會(huì )有反向電流產(chǎn)生。CSP2/CSN2用于反向電流的檢測，當反向電流超過(guò)限流設定值時(shí)，如果輸出電壓在設定電壓范圍內，Q4會(huì )立即關(guān)斷防止反方向電流繼續增加。如果是在在降壓模式下，Q2關(guān)斷時(shí)Q4會(huì )重新導通。過(guò)流保護值可以通過(guò)I2C或電流檢測電阻進(jìn)行設定，電流檢測電阻的選擇要保證CSP2-CSN2的電壓在過(guò)流時(shí)也不要超過(guò)100mV的運放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測電阻，對應的峰值過(guò)流保護值如下表，默認值-8 A。
表2：5 mΩ檢測電阻對應的峰值過(guò)流保護值(反向過(guò)流保護)
當輸出電壓高于設定值110%，時(shí)間超過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，NCP81239會(huì )進(jìn)入過(guò)壓保護模式。過(guò)壓保護時(shí)，S1關(guān)斷，S2導通，S3和S4會(huì )交替導通將輸出電壓放電，同時(shí)防止反向電流超過(guò)設定的反向保護電流值。在輸出過(guò)壓故障下，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降到50KHz，防止電感飽和，同時(shí)降低功率管上的功耗。
圖3：輸出過(guò)壓保護圖示
傳統的同步整流控制在輸出有預偏置電壓時(shí)啟動(dòng)，輸出會(huì )先放電然后上升。NCP81239在輸出有預偏置時(shí)，啟動(dòng)時(shí)會(huì )工作在非同步整流模式，不會(huì )對輸出放電，適合用于電池負載的場(chǎng)合。
輸出電壓在設定值+/-5%以?xún)�，延遲3.3mS后會(huì )發(fā)出Power Good 信號。如果輸出電壓超出設定值的+/-7 %超過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，Power Good 寄存器復位，輸出中斷信號。
NCP81239支持4個(gè)I2C地址，可以根據客戶(hù)的需要在芯片出廠(chǎng)前進(jìn)行配置，默認型號的I2C地址為E8h/E9h。
此外，NCP81239自身有過(guò)熱保護，芯片結溫超過(guò)150度，會(huì )關(guān)斷外部的4個(gè)開(kāi)關(guān)，溫度降至125度后會(huì )重新啟動(dòng)。
參考設計
安森美半導體提供采用NCP81239的60 W車(chē)充、筆記本電腦外接擴展塢、臺式機應用、具有Type-C接口的插線(xiàn)板等參考設計，可實(shí)現小體積、高能效，滿(mǎn)足在USB PD和Quick Charge規格下的不同應用需求。
總結
Type-C接口正在成為電子產(chǎn)品間互聯(lián)的單一接口，大功率USB PD不同的電壓和功率需要對輸出電壓進(jìn)行調節。安森美半導體的NCP81239 具有的特色功能和完善的保護功能使其非常適合用于需要寬電壓輸入、可調電壓輸出的高可靠應用，如USB PD和Quick Charge 以及電池充電，其獨特的控制模式實(shí)現了高效的升降壓轉換，最高1.2MHz的工作頻率可以實(shí)現小型化的設計。
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