【導(dǎo)讀】如今的消費者總想隨時隨地都能方便快捷地為其便攜式設(shè)備充電,無論是在商務(wù)中心還是購物中心,或是在等候航班或火車。但是,充電適配器和連接器類型花樣繁多,到底用哪個充電器常會讓用戶感到混亂。如果用戶每次都得攜帶多個不同的充電適配器,以便為不同的便攜式設(shè)備充電(例如手機、平板電腦和筆記本電腦),那他們很快就會變得頭痛不已(參見圖1)。
圖1:各種輸入源和適配器
與上圖的連接器(例如桶形插頭、USB Type-A和Micro-B)相比,USB Type-C(也稱為USB-C)連接器具有眾多優(yōu)勢,如可翻轉(zhuǎn)插頭、采用USB Type- C PD可提供高達(dá)100W的功率、雙角色電源功能(可充當(dāng)接收器或輸入源)以及更高的數(shù)據(jù)速率。
所有這些優(yōu)勢正在迅速推動連接器的整合,即在更多的消費類設(shè)備中使用USB Type-C連接器。USB Type-C還可能成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)連接器(參見圖2)。另外,充電適配器和線纜的重用極大地減少了電子垃圾,這也是它的一大優(yōu)勢。
圖2:USB Type-C連接器
對于便攜式電子設(shè)備,USB Type-C連接器的高功率能力非常重要,因為這意味著設(shè)備電池可以更快完成充電。許多便攜式設(shè)備以前使用的micro-USB連接器允許的最大功率為7.5W(5V,1.5A),而使用USB Type-C,便攜式設(shè)備能夠以兩倍的功率為電池充電,即最高功率可達(dá)15W(5V,3A)。
不過,即使標(biāo)準(zhǔn)USB Type-C電源可以提供高達(dá)15W的功率,最終用戶也很少能夠通過5V電源充分利用這15W,這主要由兩個原因?qū)е拢?/div>
1. Type-C線纜的最大往返電阻為250mΩ,而設(shè)備的PCB和連接器通常會為其增加約100mΩ的串聯(lián)電阻。這意味著,由于I x R壓降,在5V電壓下提供3A電流的15W電源只能為充電器提供最高11.85W(15W-3.15W)的功率。
2. 由于單電池的滿電電壓逐年增長,5V電源給充電器IC制造了“凈空限制”問題。假如有一個電池處于恒壓階段的設(shè)備, 它使用能夠提供15W功率的5V USB Type-C電源以4.4V電壓充電,并具有第一個因素中提到的350mΩ串聯(lián)電阻;此時,電源輸出與電池輸入端子之間只能存在0.6V的壓降。 這意味著最大可用電流約為1.7A(0.6V /0.350Ω),相當(dāng)于約7.5W的功率。
要克服此限制,可以降低總串聯(lián)電阻或者增加電源的輸出電壓。但串聯(lián)電阻很難降低,因此USB PD提供了一種方法將電源輸出電壓提高至20V,從而提供高達(dá)100W的功率。
即便存在上述限制,標(biāo)準(zhǔn)15W USB Type-C電源也足以滿足很多便攜式設(shè)備的需求。但是,諸如智能手機、平板電腦、無線揚聲器、移動電源和攝像頭之類的設(shè)備通常都具有大于3000mAh的電池,因此可以采用USB PD更快地充電。為了提供更高的功率輸出,USB PD適配器可以根據(jù)便攜式設(shè)備的要求將其輸出電壓提高到5V以上。USB PD適配器可以提供的最大功率通常在15W至100W之間,具體取決于電壓和電流水平。
圖3顯示了USB PD電源功率規(guī)則,USB PD標(biāo)準(zhǔn)中也闡述了這些規(guī)則,以確保不同PD適配器(源)和設(shè)備(接收器)之間的兼容性。根據(jù)其額定功率,源輸出電壓必須為5V、9V、15V或20V四個電壓等級,同時允許3A的最大電流。最大電流水平也可以提高到5A,但需要提供一條特殊的、帶電氣標(biāo)記的線纜以確保安全。
圖3:電源功率規(guī)則圖
USB Type-C PD利用了Type-C連接器的能力,通過增加輸出電壓來提供更高功率,同時仍向后兼容5V以實現(xiàn)通用充電功能。例如,如果接收設(shè)備(例如揚聲器)僅需18W功率(9V,2A),則根據(jù)電源規(guī)則,任何額定功率至少為27W的兼容型USB PD適配器都能滿足其充電需求。這意味著最終用戶只需帶備一個USB PD電源,即可為其所有設(shè)備充電,從而更加方便而且經(jīng)濟高效。對制造商而言,這意味著他們不再需要為其產(chǎn)品配備電源適配器,此舉不僅降低了成本,而且減少了電子垃圾,改善了環(huán)境。
要實現(xiàn)USB Type-C PD快速充電,便攜式設(shè)備和電源中都需要一個PD控制器IC。PD控制器與PD適配器通信,以確定便攜式設(shè)備需要的功率;然后,PD控制器檢查便攜式設(shè)備加載狀態(tài)和安全故障信息。另外,支持雙角色端口(DRP)的PD控制器允許用戶通過其便攜式設(shè)備為其他設(shè)備充電,例如通過筆記本電腦為手機充電。這樣,便攜式設(shè)備又可以用作移動電源,進一步增加了便利性。
充電器IC是實現(xiàn)USB Type-C PD快速充電系統(tǒng)的重要組件。設(shè)計工程師們尋求的解決方案需要達(dá)到以下目標(biāo):
● 能夠簡化設(shè)計,同時實現(xiàn)通用充電功能,即可以采用不同充電配置和高輸入電壓為多種電池供電設(shè)備充電
● 延長電池的使用時間,充分利用最大的電池容量,以實現(xiàn)最佳用戶體驗
● 提高充電效率,最大程度降低充電器IC內(nèi)的功率損耗
● 保護電池、系統(tǒng)和輸入適配器免于故障
本文介紹的完整USB PD快速充電參考設(shè)計采用了MPS的MP2731。MP2731是一款大電流開關(guān)充電器,與USB PD控制器配合使用可以創(chuàng)建整體解決方案(參見圖4)。
圖4:MPS USB PD快速充電解決方案
該設(shè)計使用的USB PD控制器符合最新的USB Type-C和PD標(biāo)準(zhǔn)。它具備完整的功能和BOM集成優(yōu)勢,是便攜式設(shè)備的理想之選。
MP2731 是一款集成降壓充電器IC,它利用USB PD輸入,可在3.7V至16V的輸入電壓范圍內(nèi)為單節(jié)電池充電。該器件具有集成組件,可實現(xiàn)緊湊型、空間受限電池供電設(shè)備(如揚聲器、攝像頭、PoS系統(tǒng)和其他一般應(yīng)用)的靈活充電。
MP2731還提供了一個I2C接口,可以靈活進行充電配置,并監(jiān)測充電狀態(tài)和故障情況。其超低功耗充電器IC延長了電池的運行時間,從而在不充電時節(jié)省了盡可能多的電池電量。為支持Type-C連接器的雙角色端口(DRP)功能,MP2731還提供電池放電功能,以在其輸入端建立電流高達(dá)3A的5V穩(wěn)定電壓。在此模式下,Type-C端口可以作為源端口為外部設(shè)備(如智能手機)供電。充電過程和USB On-the-Go(OTG)操作都可以通過集成的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行監(jiān)測(參見表1)。MP2731還提供多種對電池充電和系統(tǒng)操作至關(guān)重要的安全保護功能,包括快速充電安全計時器、電池溫度監(jiān)測、過壓保護(OVP)和過流保護(OCP)(參見表1)。
表1:MP2731的充電參數(shù)
為實現(xiàn)PD快速充電, MP2731 降低了開關(guān)充電器內(nèi)部集成FET的導(dǎo)通電阻RDS(ON),以提高大電流下的充電器效率。 圖5顯示了MPS PD快速充電解決方案的充電效率曲線。
圖5:MPS USB PD快速充電解決方案的充電效率
F快速充電功能支持大容量電池,便攜式設(shè)備可以因此實現(xiàn)越來越多的功能。但便攜式設(shè)備又通常需要盡可能小,這推動了對全集成開關(guān)充電器的需求。MP2731依賴MPS先進的DrMOS工藝將大多數(shù)組件集成到一個超小尺寸的QFN-26(3.5mmx3.5mm)封裝中,從而節(jié)約了BOM成本和PCB尺寸。
USB PD快充能夠為廣泛的應(yīng)用提供快速靈活的充電功能,為最終用戶提供便利。本文介紹的所有功能均有助于實現(xiàn)最佳的USB Type-C PD快速充電解決方案設(shè)計。
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