USB-C介面正在徹底改變電子設備的充電方式. USB-C連接線無論哪一端都能連接智能手機或超級本. 物理上, C型連接器既是雙向的 (無論線纜的哪一端都能插入兩頭的設備) , 也是無極性的 (連接器插入時可以正面朝上, 也可以反面朝上) . 在協商過程中, 連接系統可以電子地分辨出電極性. 除了數據傳輸, USB-C還能支援更高功率水平的雙向功率傳輸. 預設電壓為5V, USB-C通信埠能夠與插入的設備協商, 在雙方同意的電流水平上, 將通信埠電壓提高到20V, 或雙方同意的其他電壓值. USB-C通信埠提供的最大功率為100W (20V/5A) , 這用來給筆記型電腦充電已經綽綽有餘了. 優勢如此明顯, 也就不難理解為什麼電子設備製造商紛紛在其下一代產品中採用USB-C了.
隨著USB PD和USB-C得到越來越多的採用, 計算機行業對穩壓器的性能提出了明顯更高的要求. 與電壓值固定的傳統USB-A和USB-B通信埠相比, USB-C通信埠是雙向的, 接受可變輸入電壓, 輸出電壓範圍為5V至20V. 其可調節輸出電壓允許筆記型電腦和其他移動設備用USB-C通信埠替代傳統AC/DC電源適配器和USB-A和B端子. 考慮到這些優勢, 一些客戶在其系統中設計了兩個或多個USB-C通信埠.
不過, 目前具有兩個或多個USB-C通信埠的系統架構很複雜, 不能滿足很多客戶的要求. 本白皮書提出了一種全新的系統架構, 該架構採用Intersil的ISL95338降壓-升壓穩壓器和ISL95521A組合式電池充電器. 我們將討論這種架構如何簡化設計, 並全面支援所有USB-C功能. 我們還將說明這種架構如何應用到適配器端, 以實現可編程電源 (PPS) , 這種電源可以輸出可調節電壓, 以匹配USB-C的可變輸入電壓.
一種新的USB-C架構
圖1顯示了一種新的USB-C架構, 該架構由ISL95338雙向降壓-升壓穩壓器和ISL95521A組合式電池充電器或ISL9238降壓-升壓電池充電器組成. 這種新架構允許系統通過USB-C通信埠給電池充電, 當兩個PD充電器插入USB-C_1和USB-C_2時, 還支援快速充電功能. 無需額外複雜的通信埠控制邏輯電路或IC, 該架構的兩個通信埠就可全面支援USB 3.1 On-The-Go (OTG) .
USB-Type-C: USB-C通信埠Bi-directional: 雙向2 & 3-cell Li-ion: 2或3節鋰離子電池
比較圖1和圖2很容易看出, 要實現與Intersil電池充電器架構相同的功能和性能水平, 市場上現有的電池充電器架構需要更多器件和複雜的外部電路. 顯然, 使用現有的電池充電系統, 每個充電器通路都需要一個USB-PD控制器來控制2個ASGATE並執行充電功能, 這提高了設計的系統成本. 為了實現5V降壓OTG, OTG門還需要一個PD控制器. 注意, 現有的降壓轉換器只能輸出單一固定電壓. 圖2顯示, 如果使用5V降壓轉換器, 設計工程師只能輸出一個固定5V電壓, 這與很多USB-C應用要求的可調5V-20V OTG輸出電壓不匹配.
USB-Type-C 1: USB-C通信埠15V OTG only: 僅5V OTGCharging battery & Support system: 充電電池和支援系統External input power selection logic circuitry: 用於選擇外部輸入電源的邏輯電路BB charger: 降壓-升壓充電器5V Buck: 5V降壓轉換器
本文提出的Intersil架構克服了所有這些缺點. 圖1顯示, 兩個ISL95338並聯, 將兩個USB-C通信埠連接到ISL95521A電池充電器. 簡化了系統架構, 為客戶節省了大量成本, 因為去掉了不少元件, 包括各個PD控制器, ASGATE和OTG GATE. 最重要的是, 使用了更少的元件但並未降低性能. 例如, 如果電池需要充電, 那麼就直接從USB-C輸入向ISL95521A供電. 此外, 將兩個ISL95338並聯, 可為客戶應用提供更多選擇.
例如, 可以採用具有不同額定功率的兩個USB-C輸入來實現大功率電池充電, 這意味著, 電池充電功率高於單個USB-C輸入功率. 圖1說明了這是如何實現的: 在電壓迴路中放置一個ISL95338 (設定為較高額定功率的USB-C) 為ISL95521A輸入提供恒定電壓 (V0) , 另外在電流迴路中放置一個ISL95338 (設定為較低額定功率的USB-C) , 自動為ISL95521A提供最大功率. 換言之, 無需增加額外的電路或邏輯來決定兩個並聯的ISL95338降壓-升壓穩壓器的不同額定功率.
可以基於不同的額定功率自動選擇ISL95338內部的控制迴路, 來充分利用輸入電源. 針對OTG功能, 電池電源可通過二極體提供, 用ISL95338將功率傳輸至USB-C輸出. 從而不再需要5V降壓和OTG門, 如圖2所示. 此外, 通過在兩個ISL95338, ISL95521A和PD控制器之間使用SMBus通信, OTG電壓可以調節, 而不是使用固定值. 圖3顯示了一種大功率快速充電應用, 其中, 新的Intersil電池充電架構可以進行擴展, 可以將4個ISL95338與一個ISL95521A或ISL9238電池充電器並聯. 每個USB-C通信埠都可以作為匯 (sink) 或源 (source) 獨立運行. 該架構還可以將傳統適配器作為電源結合到系統中, 而不提高物料成本.
USB-Type-C 1: USB-C通信埠1Normal adaptor: 普通適配器2 & 3-cell Li-ion: 2或3節鋰離子電池
可編程電源解決方案
在傳統的USB-A和USB-B應用中, 輸入電壓是固定值, 這給USB-C應用帶來了新的挑戰, 因為USB-C通信埠還可以接受可變輸入電壓. 解決辦法是可編程電源 (PPS) 功能, 這種功能允許電源的輸出電壓和電流以20mV/50mA步進編程和調節, 以優化電源通路. 如圖4所示, ISL95338降壓-升壓穩壓器非常適合用於實現PPS, 因為該穩壓器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信, 輸出可調的雙向電壓.
USB-PD Controller: USB-PD控制器Buck-Boost VR: 降壓-升壓穩壓器USB-C Port: USB-C通信埠
結論
將ISL95338用在多通信埠USB-C電池充電系統中, 可實現一種新的, 易於使用的充電架構. 與現有的充電架構相比, Intersil的新架構能夠以低很多的成本實現, 而且提供更高的性能, 更快速的充電和更長的電池壽命. 此外, 所有USB-C通信埠要求都能完全滿足, 包括能實現PPS, 這是未來應用需要增加的關鍵USB功能之一. 了解更多有關ISL95338雙向降壓-升壓穩壓器的資訊, 敬請訪問: http://www.intersil.com/products/isl95338.
關於作者
Xunwei Yu是瑞薩子公司Intersil位於美國北卡羅來納州Research Triangle Park的移動電源管理產品部的應用工程師. 他擁有美國北卡羅來納州立大學 (North Carolina State University) 博士學位.
Sungkeun Lim是瑞薩子公司Intersil位於美國北卡羅來納州Research Triangel Park的移動電源管理產品部的應用工程師. 他擁有韓國釜山東亞大學 (Dong-A University) 電子工程學士學位, 和美國北卡羅來納州立大學電子工程碩士學位和博士學位.