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)一起使用的應用越來(lái)越廣泛，包括無(wú)人機、智能手機、平板電腦、無(wú)繩吸塵器、便攜式醫療設備、無(wú)線(xiàn)揚聲器和電子收銀機設備。在這些應用中，一直要求設計者減少充電時(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 相結合，可以開(kāi)發(fā)出快速、高效、通用的輸入充電解決方案。但這些設備并不簡(jiǎn)單，將它們設計成支持 USB OTG 規范可能需要大量的時(shí)間。這增加了成本，并可能影響設計進(jìn)度。由于需要遵守 USB 快速角色交換 (FRS) 的時(shí)間和控制標準，以確保正在提供電力的設備能夠迅速成為電源消耗者，并保證數據連接不間斷，因此設計過(guò)程可能變得更加復雜。

對于 USB PD 通用充電應用，設計者可以通過(guò)轉向集成充電器來(lái)解決其中許多問(wèn)題。集成充電器可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，支持全功能和緊湊型降壓升壓充電解決方案的實(shí)現，以低零件數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)現降壓升壓通用輸入 USB OTG 和 FRS 解決方案的復雜性。然后將回顧使用集成設備的好處，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)支持性評估模塊，以幫助設計者開(kāi)始設計其下一個(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 的復雜性

通過(guò)建立一個(gè)標準化的連接器，USB Type-C 幫助實(shí)現了通用交流電源適配器的開(kāi)發(fā)和電子垃圾的減少。但標準化連接器只是其中一個(gè)因素。便攜式設備的電池的芯數各不相同，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(zhù) USB PD 充電解決方案架構是復雜和具有挑戰性的（圖 1）。

圖 1：USB PD 充電解決方案的內部設計可能很復雜，因為它必須適應廣泛變化的電池單元配置和適配器電壓。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

首先，USB PD 控制器 (U4) 必須識別適配器規格，包括：USB 電池充電規范修訂版 1.2 (USB BC1.2)、標準下行端口 (SDP)、充電下行端口 (CDP)、專(zhuān)用充電端口 (DCP)、高電壓專(zhuān)用充電端口 (HVDCP)，甚至非標準適配器。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單元 (U1) 打開(kāi)背對背的功率 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(guò)檢測電阻感應輸入電壓和電流，以支持過(guò)壓和過(guò)流保護。

在降壓升壓充電器單元 (U2) 中還有四個(gè)附加 MOSFET，根據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。

NVDC 電源路徑管理是一個(gè)特定的控制協(xié)議，它將系統電壓調節至略高于電池電壓，并且不允許電壓下降到最低系統電壓以下。最低系統電壓是指，即使在電池被移除或完全放電的情況下也能使系統運行的電壓水平。此外，如果系統功率需求超過(guò)了輸入適配器的額定值，電池補充模式就會(huì )支持額外的系統功率需求，防止適配器過(guò)載。

OTG 電源和 FRS

為了支持 OTG 供電，圖 1 中的 DC-DC 轉換器 (U3) 用來(lái)對電池放電，以在 VBUS 上提供一個(gè)穩定的電壓，從而在適配器被移除時(shí)為外部設備供電，這是 USB OTG 規范的要求。如果還需要 FRS，DC-DC 轉換器必須被啟用并連續保持在待機模式，即使有一個(gè)適配器通過(guò) USB Type-C 端口連接到 VBUS。如果適配器斷開(kāi)，連接到 DC-DC 轉換器的背對背功率 MOSFET 就會(huì )打開(kāi)，并連接轉換器的輸出，以保持 VBUS 并啟用 FRS。這種方法的缺點(diǎn)是，保持 DC-DC 轉換器處于待機狀態(tài)會(huì )增加系統的靜態(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，設計一個(gè)通用 USB PD 充電解決方案以支持 OTG 和 FRS 可能是一項復雜的任務(wù)。對于使用一至四芯鋰離子電池或鋰聚合物電池的應用來(lái)說(shuō)，Texas Instruments 為設計人員提供了 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 充電解決方案的設計，包括 FRS 支持（圖 2）。一個(gè)可選的雙輸入電源多路復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 充電解決方案的設計。（圖片來(lái)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 USB BC1.2、SDP、CDP、DCP、HVDCP 和非標準適配器。
· 未知輸入源的最大功率點(diǎn)檢測。

BQ25792 包括集成輸入電流檢測，能夠讓充電器調節輸入電流并提供輸入過(guò)流保護，防止適配器過(guò)載。此外，外部背對背功率 MOSFET 的控制和驅動(dòng)電路被整合為輸入過(guò)壓和過(guò)流保護電路的一部分，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)，充電器在標準充電模式下運行。適配器斷開(kāi)時(shí)，電流就會(huì )反過(guò)來(lái)，從電池流向 VBUS。BQ25792 兼容完整的 USB PD 3.0 電壓范圍規范，從 2.8 伏到 22 伏，可按 10 毫伏 (mV) 步長(cháng)進(jìn)行編程。

支持 FRS 的新方法

USB Type-C 端口對 FRS 的支持是通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為備用模式的功能實(shí)現的，該功能消除了對圖 1 中的 DC-DC 轉換器 (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 )出現總線(xiàn)電壓超出規格的情況。

在正常操作下，適配器通過(guò) VIN1 端口連接到 BQ25792，為電池充電，同時(shí)通過(guò) PMID 輸出為系統和任何供電附件提供電源。如果適配器斷開(kāi)，電池仍然可以為系統提供電源，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 )不斷監測 VBUS 電壓。當 VBUS 下降到閾值水平以下時(shí)（表明失去了來(lái)自適配器的輸入），充電器會(huì )迅速從充電模式轉變?yōu)?OTG 模式，從電池放電，調節 VBUS 電壓，并進(jìn)行 FRS，而不需要額外的 DC-DC 轉換器。在 BQ25792 中用備用電源模式實(shí)現 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 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(lái)源：Texas Instruments）

BQ25792 提供了1.5 兆赫 (MHz) 或 750 千赫 (kHz) 開(kāi)關(guān)頻率選擇，使設計者能夠根據應用的需要權衡解決方案的大小和效率。使用 1.5 MHz 的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現更高的效率，但由于電感 (2.2 μH) 和電容較大，導致解決方案尺寸也較大。

為了延長(cháng)電池壽命，盡量減少電力損耗，系統在閑置、運輸或儲存期間是關(guān)閉電源的。在“運輸模式”下，I2C 仍被啟用，但充電器的系統時(shí)鐘變慢，以盡量減少器件的靜態(tài)電流。在正常操作下，對于只用電池的操作，靜態(tài)電流為 21 微安 (μA)。在“運輸模式”下，靜態(tài)電流下降到 600 納安 (nA)。

為了幫助設計人員開(kāi)始使用 BQ25792，Texas Instruments 提供了 BQ25792EVM 評估板 (EVB) 來(lái)實(shí)現同步降壓升壓充電器，為 1 至 4 芯電池提供高達 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(hù)可以通過(guò)一個(gè)集成的模數轉換器 (ADC) 監測充電器狀態(tài)、電壓和電流以及任何故障。

圖 4：BQ25792EVM 評估板可用于實(shí)現同步降壓升壓充電器，提供高達 5A 的充電電流。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

該評估板的其他特點(diǎn)包括：

· USB 自動(dòng)檢測、USB PD 和無(wú)線(xiàn)輸入，支持 3.6 至 24 伏輸入
· 雙輸入源選擇器，驅動(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/運輸模式下，靜態(tài)電流低于 1 μA
· 眾多的測試點(diǎn)、跳線(xiàn)和檢測電阻支持電壓和電流測量

結語(yǔ)

綜上所述，設計一個(gè)通用的 USB PD 充電解決方案可能是一項復雜的任務(wù)，設計支持 USB OTG 規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)間和控制標準，設計過(guò)程會(huì )變得更加復雜。其結果可能是增加成本和影響設計進(jìn)度。

為了避免這種情況，市面上提供了集成式降壓充電器，可支持便攜式設備設計者對 USB PD、OTG 充電的需求。它們遵守 USB FRS 定時(shí)和控制標準，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。