如何缩小USB Type-C电池充电器
发布日期:2022-06-13
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新的 USB 3.1 Type-C 标准极大地简化了我们互连和为电子产品供电的方式。该标准利用 USB Type-C 连接器在任意两个设备之间传输高达 100W 的数据和功率。因此，电池充电系统需要更多的功能，对于每个新的便携式设备来说，电池充电系统往往越来越小、越来越轻。本文回顾了典型的 USB Type-C 充电系统，并展示了如何简化设计，同时在更小的空间内提供更多功率和更多功能。
USB 3.1 Type-C 标准
USB 3.1 Type-C(又名 USB-C)是一种新标准，它支持高数据速率并增加电子产品之间的功率传输。USB 3.1 可以提供 10Gbps 的吞吐量，同时通过标准电缆提供高达 3A 的电流，通过增强型电缆提供高达 5A 的电流。总线电压最高可调节至 20V(标准电缆为 3A 时为 60W，增强型电缆为 5A 时为 100W)。当今许多笔记本电脑需要不到 100W 的功率，因此采用 Type-C 连接器的新型号可以通过 USB 端口进行充电，就像当今小型设备的充电方式一样。
USB 3.1 Type-C 标准的复杂性要求设备在进行电力传输之前协商为电力供应商(电源)或电力用户(接收器)。Type-C线缆两端的连接器是相同的，允许可逆插入。每个连接器也是可翻转的，这允许它以任一面朝上的方式插入。Type-C USB 还允许双向供电，因此可以为外围设备充电，并且同一设备也可以为主机设备充电。这有望消除许多专有电源适配器和多种类型的 USB 电缆，最终减少当今桌面周围的电线迷宫。
配置通道检测
USB Type-C 的一个新特性是配置通道 (CC) 检测。配置通道逻辑检测电缆的存在、方向和载流能力。当两条 CC 线之一被拉下时发生电缆检测。下拉哪条线(CC1 与 CC2)决定了电缆的方向。载流能力由终端电阻的值决定。USB Type-C的另一个新特性是冷插拔，即只有在端到端检测成功后才提供5V。此功能在 USB Type-C 应用中强制要求 CC 检测。
USB 3.1 典型系统
我们展示了一个典型的便携式电源管理前端，配备连接 USB Type-C 电缆并由锂离子 (Li+) 电池供电。
当 VBUS 电压存在时，它为充电器、系统和其余模块供电。在这个阶段，电池通过 Q BATT 作为电流源充电。当 VBUS 断开时，电池通过 Q BATT为系统供电，该 Q BATT 作为“开启”开关运行。
通过 USB Type-C 协议，CC1 和 CC2 引脚确定端口连接、电缆方向、角色检测和端口控制。图 2 中的充电器还支持传统协议 Battery Charger 1.2 (BC1.2)。
典型解决方案
就物料清单 (BOM) 和 PCB 空间而言，电池系统的典型实施可能非常昂贵。显示了充电器和检测部分的 PCB 尺寸，使用两个 IC，一个用于充电器，一个用于两个检测块。两芯片方案加上无源器件占用61mm 2。
高度集成的解决方案
通过更高的集成度实现了 BOM 的更大简化。在蓝色突出显示的框显示了理想情况下可以集成到单个电源管理 IC (PMIC) 中的所有模块。
采用这种集成度，系统的复杂性大大降低。
集成 USB Type-C 充电器
MAX77860具有更高的集成度，这是一款高性能、单输入开关模式充电器，具有用于单节 Li+ 电池的 USB Type-C 配置通道检测功能(图 6)。该 IC 支持高达 15W 的应用，包括反向升压功能、高压 LDO 和 6 通道 ADC。开关充电器设计有强大的恒流、恒压和芯片温度调节算法和输入功率调节，以及 I 2 C 可编程设置，以适应各种电池尺寸和系统负载。它适合紧凑的 3.9mm x 4.0mm WLP 封装。
在典型系统中，微控制器或主机微处理器根据端口控制器 IC 检测到的电流水平来配置充电器的输入电流限制。MAX77860独立设置充电器的输入电流限制，允许充电器以电源的全部容量为电池充电，从而加快充电速度。这也简化了主机软件开发。
设计灵活性
向后兼容性支持适用于 USB Type-C 和传统适配器的设计。集成 ADC 可释放微控制器中的资源，同时为复杂的电源管理提供准确的电压、电流和温度测量。
OTG 电源的反向升压
USB On-The-Go (OTG) 是一种规范，它允许 USB 设备(如手持计算机和终端、便携式游戏机和电池供电的健康监测设备)充当主机。这允许将其他 USB 设备或附件(例如 USB 闪存驱动器、数码相机、鼠标或键盘)连接到它们。USB Type-C 规范还允许设备通过反向升压功能为其他设备供电。
在充电模式下，当 S 1 打开时，开关稳压器(降压模式下的 S 2 和 S 3 同步开关)将 CHGIN 电压降压到 SYS 引脚。从那里，控制传输晶体管S 4的线性调节器为电池充电(S 4 开启)。
在没有输入电源的反向升压模式 (OTG) 中，电池电压 (S 4 完全开启)在 CHGIN 引脚 (S 1开启) 处被升压 (S 2 和 S 3 在升压模式下同步切换 )。
在这个实现中，反向升压模式不需要额外的电感器。然后将升高的 CHGIN 电压用于 USB OTG 功能。
在纯电池模式下，开关 S 1 关闭。
安全输出 LDO
安全输出 LDO 是一种受保护的高压输入线性稳压器，可通过 I 2 C 寄存器提供 3.3V/4.85V/4.9V/4.95V 的可编程输出电压。它用于为低压额定 USB 系统供电。当 CHGIN ≥ 3.2V 时安全输出线性稳压器开启，当 CHGIN 大于过压阈值时禁用。
结论
新的 USB 3.1 Type-C 标准要求电池充电系统提供更多功能，即使安装在越来越小、越来越轻的便携式设备中也是如此。
我们回顾了一个典型的充电解决方案，其集成度低，导致需要大 PCB 面积的大 BOM。
高度集成的解决方案，如 MAX77860 USB Type-C 3A 开关模式充电器所示，通过集成充电器、电源路径、Safeout LDO、ADC、USB-C 配置通道和 BC 1.2 检测，显着降低了系统复杂性采用小型 3.9mm x 4.0mm、0.4mm 间距、WLP 封装。OTG 功能无缝集成，无需额外的电感器。这种集成水平简化了设计，能够在最小的 PCB 空间内提供更多的功率和更多的功能。
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