如何縮小 USB Type-C 電池充電器

新的 USB 3.1 Type-C 標準極大地簡化了我們互連和為電子產(chǎn)品供電的方式。該標準利用 USB Type-C 連接器在任意兩個設備之間傳輸高達 100W 的數(shù)據(jù)和功率。因此，電池充電系統(tǒng)需要更多的功能，對于每個新的便攜式設備來說，電池充電系統(tǒng)往往越來越小、越來越輕。本文回顧了典型的 USB Type-C 充電系統(tǒng)，并展示了如何簡化設計，同時在更小的空間內提供更多功率和更多功能。

USB 3.1 Type-C 標準

USB 3.1 Type-C(又名 USB-C)是一種新標準，它支持高數(shù)據(jù)速率并增加電子產(chǎn)品之間的功率傳輸。USB 3.1 可以提供 10Gbps 的吞吐量，同時通過標準電纜提供高達 3A 的電流，通過增強型電纜提供高達 5A 的電流。總線電壓最高可調節(jié)至 20V(標準電纜為 3A 時為 60W，增強型電纜為 5A 時為 100W)。當今許多筆記本電腦需要不到 100W 的功率，因此采用 Type-C 連接器的新型號可以通過 USB 端口進行充電，就像當今小型設備的充電方式一樣。

USB 3.1 Type-C 標準的復雜性要求設備在進行電力傳輸之前協(xié)商為電力供應商(電源)或電力用戶(接收器)。Type-C線纜兩端的連接器是相同的，允許可逆插入。每個連接器也是可翻轉的，這允許它以任一面朝上的方式插入。Type-C USB 還允許雙向供電，因此可以為外圍設備充電，并且同一設備也可以為主機設備充電。這有望消除許多專有電源適配器和多種類型的 USB 電纜，最終減少當今桌面周圍的電線迷宮。

配置通道檢測

USB Type-C 的一個新特性是配置通道 (CC) 檢測。配置通道邏輯檢測電纜的存在、方向和載流能力。當兩條 CC 線之一被拉下時發(fā)生電纜檢測。下拉哪條線(CC1 與 CC2)決定了電纜的方向。載流能力由終端電阻的值決定。USB Type-C的另一個新特性是冷插拔，即只有在端到端檢測成功后才提供5V。此功能在 USB Type-C 應用中強制要求 CC 檢測。

USB 3.1 典型系統(tǒng)

我們展示了一個典型的便攜式電源管理前端，配備連接 USB Type-C 電纜并由鋰離子 (Li+) 電池供電。

當 VBUS 電壓存在時，它為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電。在這個階段，電池通過 Q BATT 作為電流源充電。當 VBUS 斷開時，電池通過 Q BATT為系統(tǒng)供電，該 Q BATT 作為“開啟”開關運行。

通過 USB Type-C 協(xié)議，CC1 和 CC2 引腳確定端口連接、電纜方向、角色檢測和端口控制。圖 2 中的充電器還支持傳統(tǒng)協(xié)議 Battery Charger 1.2 (BC1.2)。

典型解決方案

就物料清單 (BOM) 和 PCB 空間而言，電池系統(tǒng)的典型實施可能非常昂貴。顯示了充電器和檢測部分的 PCB 尺寸，使用兩個 IC，一個用于充電器，一個用于兩個檢測塊。兩芯片方案加上無源器件占用61mm 2。

高度集成的解決方案

通過更高的集成度實現(xiàn)了 BOM 的更大簡化。在藍色突出顯示的框顯示了理想情況下可以集成到單個電源管理 IC (PMIC) 中的所有模塊。

采用這種集成度，系統(tǒng)的復雜性大大降低。

集成 USB Type-C 充電器

MAX77860具有更高的集成度，這是一款高性能、單輸入開關模式充電器，具有用于單節(jié) Li+ 電池的 USB Type-C 配置通道檢測功能(圖 6)。該 IC 支持高達 15W 的應用，包括反向升壓功能、高壓 LDO 和 6 通道 ADC。開關充電器設計有強大的恒流、恒壓和芯片溫度調節(jié)算法和輸入功率調節(jié)，以及 I 2 C 可編程設置，以適應各種電池尺寸和系統(tǒng)負載。它適合緊湊的 3.9mm x 4.0mm WLP 封裝。

在典型系統(tǒng)中，微控制器或主機微處理器根據(jù)端口控制器 IC 檢測到的電流水平來配置充電器的輸入電流限制。MAX77860獨立設置充電器的輸入電流限制，允許充電器以電源的全部容量為電池充電，從而加快充電速度。這也簡化了主機軟件開發(fā)。

設計靈活性

向后兼容性支持適用于 USB Type-C 和傳統(tǒng)適配器的設計。集成 ADC 可釋放微控制器中的資源，同時為復雜的電源管理提供準確的電壓、電流和溫度測量。

OTG 電源的反向升壓

USB On-The-Go (OTG) 是一種規(guī)范，它允許 USB 設備(如手持計算機和終端、便攜式游戲機和電池供電的健康監(jiān)測設備)充當主機。這允許將其他 USB 設備或附件(例如 USB 閃存驅動器、數(shù)碼相機、鼠標或鍵盤)連接到它們。USB Type-C 規(guī)范還允許設備通過反向升壓功能為其他設備供電。

在充電模式下，當 S 1 打開時，開關穩(wěn)壓器(降壓模式下的 S 2 和 S 3 同步開關)將 CHGIN 電壓降壓到 SYS 引腳。從那里，控制傳輸晶體管S 4的線性調節(jié)器為電池充電(S 4 開啟)。

在沒有輸入電源的反向升壓模式 (OTG) 中，電池電壓 (S 4 完全開啟)在 CHGIN 引腳 (S 1開啟) 處被升壓 (S 2 和 S 3 在升壓模式下同步切換 )。

在這個實現(xiàn)中，反向升壓模式不需要額外的電感器。然后將升高的 CHGIN 電壓用于 USB OTG 功能。

在純電池模式下，開關 S 1 關閉。

安全輸出 LDO

安全輸出 LDO 是一種受保護的高壓輸入線性穩(wěn)壓器，可通過 I 2 C 寄存器提供 3.3V/4.85V/4.9V/4.95V 的可編程輸出電壓。它用于為低壓額定 USB 系統(tǒng)供電。當 CHGIN ≥ 3.2V 時安全輸出線性穩(wěn)壓器開啟，當 CHGIN 大于過壓閾值時禁用。

結論

新的 USB 3.1 Type-C 標準要求電池充電系統(tǒng)提供更多功能，即使安裝在越來越小、越來越輕的便攜式設備中也是如此。

我們回顧了一個典型的充電解決方案，其集成度低，導致需要大 PCB 面積的大 BOM。

高度集成的解決方案，如 MAX77860 USB Type-C 3A 開關模式充電器所示，通過集成充電器、電源路徑、Safeout LDO、ADC、USB-C 配置通道和 BC 1.2 檢測，顯著降低了系統(tǒng)復雜性采用小型 3.9mm x 4.0mm、0.4mm 間距、WLP 封裝。OTG 功能無縫集成，無需額外的電感器。這種集成水平簡化了設計，能夠在最小的 PCB 空間內提供更多的功率和更多的功能。