USB Type-C和Quick Charge(QC)是當前市場兩大新的供電標準,也是市場趨勢。這兩大標準的共同特點是輸出電壓需要調節。安森美半導體推出的單電感H橋升降壓電源控制器 NCP81239可以配接寬輸入電壓範圍和寬輸出電壓範圍,特別適合用於USB Type-C或QC 3.0等需要根據用電裝置要求進行電壓調節的應用。晶片整合的I2C介面可和外部的微控制器(MCU)配合進行輸出電壓的步進調整,且可在同一個Type-C端口實現多種快充協議如 USB PD Type-C、QC 2.0/3.0,能對接蘋果Lighting 介面快充協議和三星介面快充協議等。

USB Type-C和Quick Charge概覽

1. USB Type-C

電子產品如電腦、手機、數位相機等經常需要與其它電子裝置進行互聯來傳輸數據或提供電源,然而各種不同規格的配接器和線纜,給使用帶來很大不便,同時也增加旅行包的重量。為了減少線束數量和不必要的浪費, USB Type C介面標準應運而生。USB Type C 介面的目標是將不同電子裝置之間的互聯採用統一的介面,同時可以提供電源和傳輸數據,也支持音訊影片和客戶個性化的通訊協議。USB充電技術演進如圖1所示。

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圖1:USB充電技術演進

USB PD支持不同功率等級的供電,啟動時默認支持5 [email protected],可根據需要調至18 W、36 W、60 W、100 W等,需要電纜支持1.5 A以上電流,更大功率輸出需要調整輸出電壓到較高的值,以保證電纜電流不會超過規格。此外,USB PD協議也支持額外的功率和電壓選擇。

2.Quick Charge

Quick Charge 是高通為了支持手持裝置快速充電而開發的技術, 通過提升輸出電壓來減低電纜和接頭上的損耗來增大輸出功率,通過USB 訊號線D+、D-的不同狀態來設定輸出電壓。QC 3.0標準支持200 mV/階的電壓調節,來優化手持裝置充電部分的轉換能效,降低溫升。

NCP81239的功能特性及工作原理

NCP81239支持寬輸入電壓範圍,提供從150 kHz至1.2 MHz動態可編程的切換頻率,整合4個MOSFET驅動,採用雙沿電流模式控制,支持輸出預偏置啟動,自適應死區時間控制防止直通,具有獨立的輸入和輸出電流檢測,輸出電壓(範圍0至20V)可以通過I2C 編程,整合過壓、欠壓、過流和精確的超載保護等完善的保護功能,同時還提供對5 V Vconn電源的保護。

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圖2:NCP81239典型應用電路圖

NCP81239採用雙沿電流模式升降壓控制,可實現降壓模式到升壓模式的無縫切換。I2C介面僅用兩條訊號線實現雙向串行通訊,開漏極的連接可以方便的在不同邏輯電壓位準間接口,相容1.8 V,2.5 V,3.3 V和5 V邏輯電壓位準的MCU。

輸入輸出電流可以通過高邊的檢測電阻進行檢測,檢測到的電壓分為內部和外部兩個通道:內部電流訊號用於電流模式的環路控制和限流保護,過流保護可以通過內部寄存器進行設置或遮罩,內部固定增益為10倍,內部電流值通過模數轉換器(ADC)存入對應的寄存器,可以通過I2C讀取;外部電流訊號可以被MCU讀取執行相應的軟體操作,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訊號濾成平均值。

NCP81239內置4通道7位ADC,可實現輸入、輸出之間的A/D轉換,相應的值可通過I2C讀取內部寄存器的方式進行讀取。內部的回饋參考電壓通過9位的DAC進行設定,參考電壓範圍為0 V到2.55 V,輸出電壓範圍同時可以通過外部的分壓網路進行設定。由於內部步長有9位ADC,步長比較小,所以便於用MCU I2C介面進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範圍內,非常適合QC3.0 或USB PD等需要調壓的場合。

在USB PD、QC2.0、QC3.0等規格下,如需對輸出電壓進行動態的設定,會涉及到調壓速率。如果調壓速度過快會導致電感電流過沖,輸出電壓過衝或下衝。NCP81239內置寄存器,可通過I2C介面設置,從而控制調壓時電壓上升和下降的斜率。

NCP81239通過RS1檢測輸入的峰值電流來進行正向過流保護,限流模式為逐波加打嗝模式。無論在降壓模式還是在升壓模式,在一個週期中檢測到過流時,會立即關斷Q1限制輸入功率。如果逐波限流的時間達到2mS或FB電壓低於300毫伏,則進入快速關斷模式,同時關斷4個開關,10 mS 後會重新軟啟動到原來設定的輸出電壓和電流。過流保護值可以通過I2C或電流檢測電阻進行設定,電流檢測電阻的選擇要保證CSP1-CSN1的電壓在過流時也不要超過100mV的運放差模電壓範圍。如果採用5毫歐檢測電阻,對應的峰值過流保護值如下表,默認值7.6 A。

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表1:5 mΩ檢測電阻對應的峰值過流保護值(正向過流保護)

對4開關同步整流的升降壓控制在輕載模式、重載到輕載的轉換過程、輸出過壓保護、輸出從高電壓向低電壓調整過程中會有反向電流產生。CSP2/CSN2用於反向電流的檢測,當反向電流超過限流設定值時,如果輸出電壓在設定電壓範圍內,Q4會立即關斷防止反方向電流繼續增加。如果是在在降壓模式下,Q2關斷時Q4會重新導通。過流保護值可以通過I2C或電流檢測電阻進行設定,電流檢測電阻的選擇要保證CSP2-CSN2的電壓在過流時也不要超過100mV的運放差模電壓範圍。如果採用5毫歐檢測電阻,對應的峰值過流保護值如下表,默認值-8 A。

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表2:5 mΩ檢測電阻對應的峰值過流保護值(反向過流保護)

當輸出電壓高於設定值110%,時間超過一個開關週期,NCP81239會進入過壓保護模式。過壓保護時,S1關斷,S2導通,S3和S4會交替導通將輸出電壓放電,同時防止反向電流超過設定的反向保護電流值。在輸出過壓故障下,開關頻率會降到50KHz,防止電感飽和,同時降低功率管上的功耗。

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圖3:輸出過壓保護圖示

傳統的同步整流控制在輸出有預偏置電壓時啟動,輸出會先放電然後上升。NCP81239在輸出有預偏置時,啟動時會工作在非同步整流模式,不會對輸出放電,適合用於電池負載的場合。

輸出電壓在設定值+/-5%以內,延遲3.3mS後會發出Power Good 訊號。如果輸出電壓超出設定值的+/-7 %超過一個開關週期,Power Good 寄存器複位,輸出中斷訊號。

NCP81239支持4個I2C地址,可以根據客戶的需要在晶片出廠前進行配置,默認型號的I2C地址為E8h/E9h。

此外,NCP81239自身有過熱保護,晶片結溫超過150度,會關斷外部的4個開關,溫度降至125度後會重新啟動。

參考設計

安森美半導體提供採用NCP81239的60 W車充、筆記型電腦外接擴充基座、臺式計算機應用、具有Type-C介面的插線板等參考設計,可實現小體積、高能效,滿足在USB PD和Quick Charge規格下的不同應用需求。

總結

Type-C介面正在成為電子產品間互聯的單一介面,大功率USB PD不同的電壓和功率需要對輸出電壓進行調節。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於需要寬電壓輸入、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現了高效的升降壓轉換,最高1.2MHz的工作頻率可以實現小型化的設計。

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