USB-C接口正在彻底改变电子设备的充电方式. USB-C连接线无论哪一端都能连接智能手机或超级本. 物理上, C型连接器既是双向的 (无论线缆的哪一端都能插入两头的设备) , 也是无极性的 (连接器插入时可以正面朝上, 也可以反面朝上) . 在协商过程中, 连接系统可以电子地分辨出电极性. 除了数据传输, USB-C还能支持更高功率水平的双向功率传输. 默认电压为5V, USB-C端口能够与插入的设备协商, 在双方同意的电流水平上, 将端口电压提高到20V, 或双方同意的其他电压值. USB-C端口提供的最大功率为100W (20V/5A) , 这用来给笔记本电脑充电已经绰绰有余了. 优势如此明显, 也就不难理解为什么电子设备制造商纷纷在其下一代产品中采用USB-C了.
随着USB PD和USB-C得到越来越多的采用, 计算机行业对稳压器的性能提出了明显更高的要求. 与电压值固定的传统USB-A和USB-B端口相比, USB-C端口是双向的, 接受可变输入电压, 输出电压范围为5V至20V. 其可调节输出电压允许笔记本电脑和其他移动设备用USB-C端口替代传统AC/DC电源适配器和USB-A和B端子. 考虑到这些优势, 一些客户在其系统中设计了两个或多个USB-C端口.
不过, 目前具有两个或多个USB-C端口的系统架构很复杂, 不能满足很多客户的要求. 本白皮书提出了一种全新的系统架构, 该架构采用Intersil的ISL95338降压-升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器. 我们将讨论这种架构如何简化设计, 并全面支持所有USB-C功能. 我们还将说明这种架构如何应用到适配器端, 以实现可编程电源 (PPS) , 这种电源可以输出可调节电压, 以匹配USB-C的可变输入电压.
一种新的USB-C架构
图1显示了一种新的USB-C架构, 该架构由ISL95338双向降压-升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器或ISL9238降压-升压电池充电器组成. 这种新架构允许系统通过USB-C端口给电池充电, 当两个PD充电器插入USB-C_1和USB-C_2时, 还支持快速充电功能. 无需额外复杂的端口控制逻辑电路或IC, 该架构的两个端口就可全面支持USB 3.1 On-The-Go (OTG) .
USB-Type-C: USB-C端口Bi-directional: 双向2 & 3-cell Li-ion: 2或3节锂离子电池
比较图1和图2很容易看出, 要实现与Intersil电池充电器架构相同的功能和性能水平, 市场上现有的电池充电器架构需要更多器件和复杂的外部电路. 显然, 使用现有的电池充电系统, 每个充电器通路都需要一个USB-PD控制器来控制2个ASGATE并执行充电功能, 这提高了设计的系统成本. 为了实现5V降压OTG, OTG门还需要一个PD控制器. 注意, 现有的降压转换器只能输出单一固定电压. 图2显示, 如果使用5V降压转换器, 设计工程师只能输出一个固定5V电压, 这与很多USB-C应用要求的可调5V-20V OTG输出电压不匹配.
USB-Type-C 1: USB-C端口15V OTG only: 仅5V OTGCharging battery & Support system: 充电电池和支持系统External input power selection logic circuitry: 用于选择外部输入电源的逻辑电路BB charger: 降压-升压充电器5V Buck: 5V降压转换器
本文提出的Intersil架构克服了所有这些缺点. 图1显示, 两个ISL95338并联, 将两个USB-C端口连接到ISL95521A电池充电器. 简化了系统架构, 为客户节省了大量成本, 因为去掉了不少元件, 包括各个PD控制器, ASGATE和OTG GATE. 最重要的是, 使用了更少的元件但并未降低性能. 例如, 如果电池需要充电, 那么就直接从USB-C输入向ISL95521A供电. 此外, 将两个ISL95338并联, 可为客户应用提供更多选择.
例如, 可以采用具有不同额定功率的两个USB-C输入来实现大功率电池充电, 这意味着, 电池充电功率高于单个USB-C输入功率. 图1说明了这是如何实现的: 在电压回路中放置一个ISL95338 (设定为较高额定功率的USB-C) 为ISL95521A输入提供恒定电压 (V0) , 另外在电流回路中放置一个ISL95338 (设定为较低额定功率的USB-C) , 自动为ISL95521A提供最大功率. 换言之, 无需增加额外的电路或逻辑来决定两个并联的ISL95338降压-升压稳压器的不同额定功率.
可以基于不同的额定功率自动选择ISL95338内部的控制回路, 来充分利用输入电源. 针对OTG功能, 电池电源可通过二极管提供, 用ISL95338将功率传输至USB-C输出. 从而不再需要5V降压和OTG门, 如图2所示. 此外, 通过在两个ISL95338, ISL95521A和PD控制器之间使用SMBus通信, OTG电压可以调节, 而不是使用固定值. 图3显示了一种大功率快速充电应用, 其中, 新的Intersil电池充电架构可以进行扩展, 可以将4个ISL95338与一个ISL95521A或ISL9238电池充电器并联. 每个USB-C端口都可以作为汇 (sink) 或源 (source) 独立运行. 该架构还可以将传统适配器作为电源结合到系统中, 而不提高物料成本.
USB-Type-C 1: USB-C端口1Normal adaptor: 普通适配器2 & 3-cell Li-ion: 2或3节锂离子电池
可编程电源解决方案
在传统的USB-A和USB-B应用中, 输入电压是固定值, 这给USB-C应用带来了新的挑战, 因为USB-C端口还可以接受可变输入电压. 解决办法是可编程电源 (PPS) 功能, 这种功能允许电源的输出电压和电流以20mV/50mA步进编程和调节, 以优化电源通路. 如图4所示, ISL95338降压-升压稳压器非常适合用于实现PPS, 因为该稳压器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信, 输出可调的双向电压.
USB-PD Controller: USB-PD控制器Buck-Boost VR: 降压-升压稳压器USB-C Port: USB-C端口
结论
将ISL95338用在多端口USB-C电池充电系统中, 可实现一种新的, 易于使用的充电架构. 与现有的充电架构相比, Intersil的新架构能够以低很多的成本实现, 而且提供更高的性能, 更快速的充电和更长的电池寿命. 此外, 所有USB-C端口要求都能完全满足, 包括能实现PPS, 这是未来应用需要增加的关键USB功能之一. 了解更多有关ISL95338双向降压-升压稳压器的信息, 敬请访问: http://www.intersil.com/products/isl95338.
关于作者
Xunwei Yu是瑞萨子公司Intersil位于美国北卡罗来纳州Research Triangle Park的移动电源管理产品部的应用工程师. 他拥有美国北卡罗来纳州立大学 (North Carolina State University) 博士学位.
Sungkeun Lim是瑞萨子公司Intersil位于美国北卡罗来纳州Research Triangel Park的移动电源管理产品部的应用工程师. 他拥有韩国釜山东亚大学 (Dong-A University) 电子工程学士学位, 和美国北卡罗来纳州立大学电子工程硕士学位和博士学位.