怎樣為USB Type-C和QC 3.0 選擇合適的電源控制器？

隨著電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品的普及，電子設(shè)備間通過(guò)互聯(lián)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)以及快速充電的應(yīng)用越來(lái)越多，這就使USB 和Quick Charge(QC)成為市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)。USB 接口的目標(biāo)是將不同電子設(shè)備之間的互聯(lián)采用統(tǒng)一的接口，同時(shí)可以提供電源和傳輸數(shù)據(jù)，也支持音視頻和客戶個(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(hào)線D+、D-的不同狀態(tài)來(lái)設(shè)定輸出電壓。

因此，要想滿足USB 和Quick Charge這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就需要一款能夠根據(jù)用電設(shè)備的要求進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的電源控制器。安森美半導(dǎo)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(diào)整，且可在同一個(gè)端口實(shí)現(xiàn)多種快充協(xié)議，還能對(duì)接蘋(píng)果Lighng 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(qū)動(dòng)，采用雙沿電流模式控制，支持輸出預(yù)偏置啟動(dòng)，自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制防止直通，具有獨(dú)立的輸入和輸出電流檢測(cè)，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(hù)等完善的保護(hù)功能，同時(shí)還提供對(duì)5 V Vconn電源的保護(hù)。

圖1：NCP81239典型應(yīng)用電路圖

NCP81239采用雙沿電流模式升降壓控制，可實(shí)現(xiàn)降壓模式到升壓模式的無(wú)縫切換。I2C接口僅用兩條信號(hào)線實(shí)現(xiàn)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(cè)電阻進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的電壓分為內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)通道：內(nèi)部電流信號(hào)用于電流模式的環(huán)路控制和限流保護(hù)，過(guò)流保護(hù)可以通過(guò)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置或屏蔽，內(nèi)部固定增益為10倍，內(nèi)部電流值通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)存入對(duì)應(yīng)的寄存器，可以通過(guò)I2C讀取;外部電流信號(hào)可以被MCU讀取執(zhí)行相應(yīng)的軟件操作，外部的阻抗可以設(shè)定電流測(cè)量的量程，電流檢測(cè)運(yùn)放跨導(dǎo)為5mS，外部也可以接電阻電容將電流信號(hào)濾成平均值。

NCP81239內(nèi)置4通道7位ADC，可實(shí)現(xiàn)輸入、輸出之間的A/D轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的值可通過(guò)I2C讀取內(nèi)部寄存器的方式進(jìn)行讀取。內(nèi)部的反饋參考電壓通過(guò)9位的DAC進(jìn)行設(shè)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(shè)定。由于內(nèi)部步長(zhǎng)有9位ADC，步長(zhǎng)比較小，所以便于用MCU I2C接口進(jìn)行設(shè)定補(bǔ)償電纜壓降，從而使負(fù)載端電壓可保持在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)，非常適合QC3.0 或USB PD等需要調(diào)壓的場(chǎng)合。 在USB PD、QC2.0、QC3.0等規(guī)格下，如需對(duì)輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)定，會(huì)涉及到調(diào)壓速率。如果調(diào)壓速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致電感電流過(guò)沖，輸出電壓過(guò)沖或下沖。NCP81239內(nèi)置寄存器，可通過(guò)I2C接口設(shè)置，從而控制調(diào)壓時(shí)電壓上升和下降的斜率。

NCP81239通過(guò)RS1檢測(cè)輸入的峰值電流來(lái)進(jìn)行正向過(guò)流保護(hù)，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(cè)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(dá)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(shè)定的輸出電壓和電流。過(guò)流保護(hù)值可以通過(guò)I2C或電流檢測(cè)電阻進(jìn)行設(shè)定，電流檢測(cè)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(yùn)放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測(cè)電阻，對(duì)應(yīng)的峰值過(guò)流保護(hù)值如下表，默認(rèn)值7.6 A。

表1：5 m?檢測(cè)電阻對(duì)應(yīng)的峰值過(guò)流保護(hù)值(正向過(guò)流保護(hù))

對(duì)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(zhuǎn)換過(guò)程、輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出從高電壓向低電壓調(diào)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(cè)，當(dāng)反向電流超過(guò)限流設(shè)定值時(shí)，如果輸出電壓在設(shè)定電壓范圍內(nèi)，Q4會(huì)立即關(guān)斷防止反方向電流繼續(xù)增加。如果是在在降壓模式下，Q2關(guān)斷時(shí)Q4會(huì)重新導(dǎo)通。過(guò)流保護(hù)值可以通過(guò)I2C或電流檢測(cè)電阻進(jìn)行設(shè)定，電流檢測(cè)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(yùn)放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測(cè)電阻，對(duì)應(yīng)的峰值過(guò)流保護(hù)值如下表，默認(rèn)值-8 A。

表2：5 m?檢測(cè)電阻對(duì)應(yīng)的峰值過(guò)流保護(hù)值(反向過(guò)流保護(hù))

當(dāng)輸出電壓高于設(shè)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(hù)模式。過(guò)壓保護(hù)時(shí)，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，S3和S4會(huì)交替導(dǎo)通將輸出電壓放電，同時(shí)防止反向電流超過(guò)設(shè)定的反向保護(hù)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(hù)圖示

傳統(tǒng)的同步整流控制在輸出有預(yù)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(yù)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(duì)輸出放電，適合用于電池負(fù)載的場(chǎng)合。

輸出電壓在設(shè)定值+/-5%以內(nèi)，延遲3.3mS后會(huì)發(fā)出Power Good 信號(hào)。如果輸出電壓超出設(shè)定值的+/-7 %超過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，Power Good 寄存器復(fù)位，輸出中斷信號(hào)。

NCP81239支持4個(gè)I2C地址，可以根據(jù)客戶的需要在芯片出廠前進(jìn)行配置，默認(rèn)型號(hào)的I2C地址為E8h/E9h。

此外，NCP81239自身有過(guò)熱保護(hù)，芯片結(jié)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(shè)計(jì)

安森美半導(dǎo)體提供采用NCP81239的60 W車充、筆記本電腦外接擴(kuò)展塢、臺(tái)式機(jī)應(yīng)用、具有Type-C接口的插線板等參考設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)小體積、高能效，滿足在USB PD和Quick Charge規(guī)格下的不同應(yīng)用需求。

總結(jié)

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(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。安森美半導(dǎo)體的NCP81239 具有的特色功能和完善的保護(hù)功能使其非常適合用于需要寬電壓輸入、可調(diào)電壓輸出的高可靠應(yīng)用，如USB PD和Quick Charge 以及電池充電，其獨(dú)特的控制模式實(shí)現(xiàn)了高效的升降壓轉(zhuǎn)換，最高1.2MHz的工作頻率可以實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)。