開關(guān)降壓升壓轉(zhuǎn)換器的USB供電設(shè)計(jì)介紹

USB已從供電有限的數(shù)據(jù)接口，發(fā)展為帶有一個(gè)數(shù)據(jù)接口功能的重要供電部件。最新的USB 3.x協(xié)議支持更高水平的功率通量。默認(rèn)電壓為5V，USB-C端口能與插入的設(shè)備“協(xié)商”，將端口電壓提高至20V。

USB Type-C也稱為 USB-C，而為多種外圍設(shè)備生成USB Type-C的充電電源，需要采用靈活的 DC/DC 變換器，它與控制器配合為相應(yīng)設(shè)備提供所需的電壓和電流。隨著功率密度的增加，特別是在多電源端口或集線器應(yīng)用中，效率變得至關(guān)重要，功耗也需要降至最低以最大限度地降低內(nèi)熱。而USB 電源的可編程電源 (PPS) 規(guī)范可以助力電源轉(zhuǎn)換設(shè)備增加更多集成功能。

本文將重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)具有靈活功能的完整 USB C 供電 (PD) 解決方案。這種方案必須滿足 PPS 規(guī)范中列出的電流和電壓規(guī)范要求，同時(shí)仍支持全功能 USB Type-C產(chǎn)品。下述內(nèi)容將涵蓋設(shè)計(jì)的主要方面，包括組件選擇、電路板布局以及如何利用可編程特性和設(shè)置進(jìn)行功能優(yōu)化。以 MPS提供的MPQ4272 升壓/降壓變換器和MPQ4230升降壓變換器為例，我們將對(duì)器件操作進(jìn)行分析，以優(yōu)化開關(guān)頻率和峰值電流，從而最大限度地減少功率傳輸損耗。本文還將介紹如何將 DC/DC 變換器與恰當(dāng)?shù)?USB PD 控制器配合應(yīng)用，以提供完整的 PD 解決方案。

USB 可編程電源 (PPS) 規(guī)范要求

PPS 標(biāo)準(zhǔn)是 USB PD 規(guī)范(通過(guò)http://usb.org可獲得)的一部分，主要側(cè)重于促進(jìn)電池快速充電。 PPS電源可以每10秒與受電設(shè)備交換一次數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)USB電源受電設(shè)備設(shè)置的條件，電源可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流。PPS 功能允許對(duì)電壓和電流小步逐步改變。而受電設(shè)備可以請(qǐng)求電源做出這些改變。這種電源控制是減少功率轉(zhuǎn)換損耗的有效方法，當(dāng)專用電池充電器增加了另一級(jí)轉(zhuǎn)換損耗時(shí)，尤其有用。

鋰離子電池充電的標(biāo)準(zhǔn)流程是從恒流充電狀態(tài)開始的(在保持固定恒定電流的同時(shí)電池電壓逐漸升高);然后在達(dá)到特定電壓之后，變?yōu)楹銐撼潆?在保持固定電壓的同時(shí)充電電流逐漸減小)。圖 1顯示了鋰離子電池的充電曲線。

圖1: 鋰離子電池充電曲線

早期USB 規(guī)范允許固定5V 的電源電壓。USB C PD 規(guī)范發(fā)展為包含其他更高的電壓選項(xiàng)，但不包括步進(jìn)電壓變化。要為電池充電，最重要是有一個(gè)降壓穩(wěn)壓充電器，這無(wú)疑增加了另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生熱量并降低效率的轉(zhuǎn)換步驟。

PPS 標(biāo)準(zhǔn)允許USB C電源提供電壓和電流控制，以便直接為電池充電，并減少功率損耗。PPS 電源能夠以20mV的標(biāo)稱步長(zhǎng)調(diào)整輸出電壓，并以50mA的步長(zhǎng)用于電流限制。其電壓輸出范圍為3.3V至21V。 這個(gè)范圍與 USB 通信協(xié)議相結(jié)合，可為單節(jié)或多節(jié)電池電源提供智能充電解決方案。另外，有些應(yīng)用因?yàn)榕c受電設(shè)備之間的電纜損耗而需要補(bǔ)償?shù)截?fù)載的 I-R 壓降，增量電壓控制也適用于這些應(yīng)用。

USB電源解決方案

USB Type-C 電源的輸出必須符合輸出電壓和電流的規(guī)范，但電源的輸入可以具有多種特性，例如電壓范圍可寬可窄、功率能力可高可低。 為電源選擇電源轉(zhuǎn)換設(shè)備需要同時(shí)考慮輸入源以及所需的輸出功能，例如完整的USB Type-C 和PPS 功能。

由于電源的最大輸出電壓為 21V，超過(guò) 21V 的電源則需要使用降壓(buck或step-down) DC/DC 變換器。許多應(yīng)用都要求較低的電壓，例如汽車的12V 電池需要使用升降壓 DC/DC 變換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高和更低的輸出電壓。相比有四個(gè)開關(guān)的升降壓變換器，只有兩個(gè)電源開關(guān)的降壓變換器更具成本效益，盡管升降壓變換器用途更廣。本文將對(duì)這兩種方案均進(jìn)行說(shuō)明(參見(jiàn)圖 2)。

圖2: USB電源解決方案

一個(gè)完整的 USB Type-C 解決方案需要一個(gè)電源轉(zhuǎn)換組件和一個(gè) USB PD 控制器。 控制器完成與功率接收設(shè)備之間必要的握手，然后將正確的設(shè)置信息傳送到 DC/DC 變換器，以確保將電力輸送到 USB 端口。 下面的討論將以帶控制器的 DC/DC 變換器為例。

新供電要求中的一項(xiàng)獨(dú)特挑戰(zhàn)是如何使用一個(gè)4.5V-32V輸入電壓來(lái)提供一個(gè)5V-20V直流總線。一個(gè)4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供降壓或升壓電源轉(zhuǎn)換，因其可提供設(shè)計(jì)人員和客戶所需的寬電壓轉(zhuǎn)換范圍、正極性、高能效和小尺寸方案。安森美半導(dǎo)體用于USB供電和USB-C應(yīng)用的NCP81239 4開關(guān)降壓-升壓控制器可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)開關(guān)，使轉(zhuǎn)換器能夠降壓或升壓，并支持用戶滿足USB供電(PD)規(guī)格，該規(guī)格適用于所有USB PD應(yīng)用，如PC /筆記本電腦、移動(dòng)電源和擴(kuò)展口。

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，有個(gè)現(xiàn)象眾所周知，它稱為“低端誤導(dǎo)通”或“dv/dt電感導(dǎo)通”，這是造成擊穿的罪魁禍?zhǔn)?，有可能損壞開關(guān)并降低整個(gè)轉(zhuǎn)換器的可靠性。

然后，這一問(wèn)題在4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中翻了一番，因?yàn)樗袃蓚€(gè)階段——降壓和升壓。當(dāng)設(shè)計(jì)人員直接將降壓轉(zhuǎn)換器的電路參數(shù)復(fù)制到4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的升壓段時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。隨著這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，了解dv/dt電感導(dǎo)通問(wèn)題變得越來(lái)越重要。

在4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，dv/dt電感導(dǎo)通是由同步整流MOSFET在降壓段和升壓段快速升高的漏源電壓引起的。由于不需要的擊穿電流流過(guò)任一相橋臂，結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)能效下降。電源設(shè)計(jì)人員可采用幾種經(jīng)濟(jì)的電路方案，包括最小化整流開關(guān)的關(guān)斷門極驅(qū)動(dòng)電阻，增加有源開關(guān)的導(dǎo)通門極驅(qū)動(dòng)電阻，或在開關(guān)節(jié)點(diǎn)加入RC緩沖電路。選擇具有低Qgd/Qgs(th)比率和高閾值電壓的MOSFET也可降低dv/dt電感誤導(dǎo)通的可能性。