在USB PD應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可編程電源功能

隨著智能手機(jī)變得越來越智能、體積越來越大，電池容量也在不斷增加。能夠快速為電池充電是供電時(shí)要考慮的一個(gè)關(guān)鍵方面。USB PD:USB Power Delivery功率傳輸協(xié)議，USB功率2013年的新標(biāo)準(zhǔn)名為USBPD，USB PD 協(xié)議基于USB3.1，是USB3.1 中即type-c端口后提出的功率傳輸概念。可以為這種技術(shù)帶來更大的靈活性，將充電能力擴(kuò)大為10倍，最高可達(dá)100瓦。

隨著智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，市場對(duì)電池技術(shù)更高的要求推動(dòng)技術(shù)在電池容量提升、充電效率提升及移動(dòng)充電三個(gè)主要方面進(jìn)行探索。

當(dāng)前，電子設(shè)備采用鋰電池為主流沿用的電池技術(shù)，其本身因重量輕、體積小、能量密度高的特點(diǎn)，取代鎳電池，成為最佳的電池元素。“鋰離子”在正、負(fù)極中嵌入與脫出，最終實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

公開資料顯示，從80年代鋰電池技術(shù)首次提出，到現(xiàn)在，30年間正負(fù)極的材料技術(shù)并無革命性進(jìn)展，科學(xué)家沒有找到更優(yōu)化的正負(fù)極材料?！峨娫措s志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出：“現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰電池技術(shù)已接近瓶頸，進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。”

大電壓快充方案在大幅度提升電池充電效率的同時(shí)，不可避免地加劇了電池發(fā)熱情況，并對(duì)電池壽命帶來影響。快充次數(shù)越多，電池的損耗就越大，根據(jù)估算，快充完全充放電700次左右，手機(jī)的最大電量就會(huì)下降到標(biāo)準(zhǔn)電量的80%。

具有 USB Power Delivery功率傳輸協(xié)議 及其可編程電源 (PPS) 功能的 USB Type-C? 越來越受歡迎，通過最大限度地提高電源適配器的效率并最大限度地減少手機(jī)端的充電損耗，從而縮短了充電時(shí)間。PPS 允許適配器通過與正在充電的設(shè)備進(jìn)行通信來獲得可變的輸出電壓，從而優(yōu)化充電條件。

隔離式反激電源拓?fù)湟蚱涞统杀竞妥钌俚慕M件而在手機(jī)適配器中很受歡迎。圖 1 顯示了反激系統(tǒng)框圖。通常，主輸出電壓反饋電路包括一個(gè)光耦合器和一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器，例如 TI 的 LMV431。

圖 1：適配器功率級(jí)

對(duì)于普通的USB PD適配器產(chǎn)品，輸出電壓范圍為3-20V。直接從輸出為并聯(lián)基準(zhǔn)供電的一種簡單方法。選擇 LMV431 低壓/寬可調(diào)范圍 (1.24V/30V) 并聯(lián)穩(wěn)壓器將有助于保持與 3.0V 較低輸出電壓的兼容性。移動(dòng)適配器的常見固定輸出為 1A 時(shí) 5V，并且只需要兩個(gè)反饋電阻。但是，要?jiǎng)?chuàng)建 PPS 系統(tǒng)，TPL0102-100 可啟用可變輸出。

TPL0102 具有兩個(gè)線性錐度數(shù)字電位器 (DPOT)，具有 256 個(gè)游標(biāo)位置和 100kΩ 的端到端電阻。TPL0102-100 具有兩個(gè) 256 抽頭數(shù)字電位器、一個(gè)與手機(jī)微控制器 (MCU) 通信的 I2C 接口和可存儲(chǔ)雨刷位置的非易失性存儲(chǔ)器。圖 2 顯示了分壓器模式下的 TPL0102-100，它帶有一個(gè)單位增益運(yùn)算放大器緩沖器，以創(chuàng)建一個(gè) 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。電路的模擬輸出電壓由抽頭設(shè)置決定，通過 I2C 總線編程。單位增益緩沖運(yùn)算放大器緩沖 TPL0102-100 的高阻抗輸出；否則分壓器輸出端的負(fù)載會(huì)影響輸出電壓。對(duì)于 PPS，您需要打開 Q1，小信號(hào) N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。重要的是要記住 TPL0102-100 的默認(rèn)值為 8E 用于雨刷；因此 MCU 需要啟動(dòng) TPL0102 雨刷器的值，以便在 PPS 開啟時(shí)，輸出電壓值仍為 5V。

圖 2：在適配器側(cè)實(shí)現(xiàn) PPS

設(shè)計(jì)過程
如前所述，常見的移動(dòng)適配器輸出為 1A 時(shí)的 5V。要開始設(shè)計(jì) PPS 系統(tǒng)，您必須將 R1 和 R2 計(jì)算為默認(rèn)的 5V 輸出。一旦 R1 和 R2 的值被鎖定，您就可以計(jì)算 R3 以獲得 PPS 系統(tǒng)所需的最小 20mV 步長。

理論上，公式 1 將最小階躍電壓表示為：

然后等式 2 計(jì)算 Vout 的輸出范圍：

VTPL0102 的范圍是從 0V 到 VCC。VFB 是選定的并聯(lián)穩(wěn)壓器的參考電壓。對(duì)于 LMV431，VFB 為 1.24V。VCC 是運(yùn)算放大器的電源，Vout 是適配器輸出電壓。

USB PD PPS 正變得越來越流行。以最少的元件和低成本將傳統(tǒng)適配器配置為 PPS 功能是一個(gè)挑戰(zhàn)，但通過一些額外的電路，移動(dòng)適配器可以輕松實(shí)現(xiàn)最新 USB PD 技術(shù)中的 PPS 功能。