解密USB-C升壓-降壓電池充電

摘要：本文分析了傳統(tǒng)PC電源架構，描述了隨著可反轉USB Type-CTM線纜連接器的USB-C輸電的廣泛應用，PC電源架構將發(fā)生較大的變化。通過探討不同的電池充電方法，解釋了USB-C升壓-降壓充電拓撲如何才能提供設計工程師要求的靈活性、高效率和小解決方案尺寸。

　　蘋果公司2015年4月10日推出新的MacBook，開啟了計算設備電源管理的新時代。新型MacBook有一個USB-C?端口——真正的全合一端口，能夠同時雙向傳輸數(shù)據(jù)和電力。這項技術通過將充電功能集成到USB-C端口，取消了MacBook的MagSafe充電端口。

　　現(xiàn)在，隨著第6代英特爾酷睿處理器的發(fā)布，新一代超級本、平板電腦、二合一本及外部設備都準備搭上USB-C充電的快車。然而，采用USB-C充電要求從根本上改變現(xiàn)有輸電架構，向系統(tǒng)設計工程師提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)計算設備供電方法

　　通過USB-A/B端口給電子設備充電的方法廣泛應用于低功率應用，如智能手機和平板電腦。傳統(tǒng)USB-A/B端口能夠提供5V電源電壓，最大電流為2A。但該功率水平不足以為高功率設備充電，此類設備通常使用額定功率為幾十瓦的AC(交流)電源適配器進行充電。

　　目前典型的計算設備電源架構如圖1所示。其中包括一個AC電源適配器，用于將AC電壓轉換為DC(直流)電壓，并使用20V電壓為主電子設備充電，在本例中主電子設備為超極本電腦。超極本可使用從1單元電池到4單元電池的不同電池組。從放電狀態(tài)到充滿狀態(tài)，每個鋰離子電池的典型工作電壓范圍為2.5V～4.3V。因此，超級本的電池電壓范圍為2.5V～17.2V。

　　在使用20V DC電源適配器的情況下，電池充電器會使用所謂的降壓拓撲將20V DC步降至電池充電電壓。超極本的5V USB-A/B端口能夠為USB外設充電，如智能手機或平板電腦。為在USB-A/B端口中產(chǎn)生5V電壓，超極本使用類似的降壓拓撲從其內部2、3或4單元電池組產(chǎn)生5V USB電源軌，或者在具有1單元電池組情況下使用升壓拓撲。

轉向支持大功率充電的USB-C方案

　　USB-C正在改變電子設備的充電方式。它是一種可連接任何設備的標準接口。除數(shù)據(jù)傳輸外，USB-C還支持以較大電流進行雙向輸電。在默認5V電壓情況下，USB-C端口能夠與插入設備“協(xié)商”，并在雙方商定的電流水平下，將端口電壓升高到12V、20V或另一種雙方商定的電壓。USB-C端口能夠提供的最大功率為100W(20V×5A)，這為一臺電腦充電綽綽有余了，更何況大多數(shù)15英寸超極本只需要約60W功率。因此，不難理解為何電子設備制造商紛紛為其下一代產(chǎn)品配備USB-C端口，其中蘋果公司搶先在2015年推出的MacBook上采用了該技術。

　　通過轉向USB-C充電，傳統(tǒng)電源架構也需要隨著移動系統(tǒng)制造商轉向USB-C端口而改變。圖2顯示了USB-C端口如何能夠連接任意設備。電壓范圍為5V～20V 的USB-C電源適配器能夠為主電子設備充電，如使用1、2、3或4單元電池組的超極本。這些主電子設備還能為外部電子設備充電，如平板電腦、智能手機、移動電源等。

不同的USB-C電池充電方案

　　新輸電架構的獨特挑戰(zhàn)是如何使用5V～20V電源適配器為2.5V～17.2V電池充電，這是因為不存在明確的“輸入至輸出”和“輸出至輸入”的關系，前一情況下需要降壓拓撲，后一情況下需要升壓拓撲。

　　圖3顯示了一種基于預升壓概念的方案。該方案將USB電源適配器的電壓升高至大于最大USB適配器電壓的水平，如25V，然后使用降壓充電器為電池充電。該方案需要一個額外的升壓轉換器，這會增加解決方案的成本和尺寸，并由于在預升壓級額外損耗功率而降低總體效率。

　　圖4顯示了一種基于降壓充電器或升壓充電器概念的方案。該方案從USB電源適配器獲得電壓，并根據(jù)輸入/輸出電壓關系使用降壓充電器或升壓充電器。雖然該方案消除了預升壓方案的額外功率損耗，但其仍然需要一個額外的升壓充電器，這也會增加解決方案尺寸和成本。

　　圖5所示為升壓-降壓拓撲方案。升壓-降壓拓撲能夠在存在“輸入至輸出”關系時，在降壓模式下工作，在存在“輸出至輸入”關系時，在升壓模式下工作，或者在存在雙向“輸入≈輸出”關系時，在升壓-降壓模式下工作。這種靈活性有助于實現(xiàn)具有最小解決方案尺寸和最佳總體效率的更佳設計。這種方案可滿足系統(tǒng)設計工程師的要求。

　　市場上首款USB-C升壓-降壓電池充電解決方案是Intersil ISL9237。圖6顯示了ISL9237升壓-降壓充電器的拓撲。該器件由四個開關FET、一個電感以及電池連接FET(BEFT)組成。四個開關FET分成兩組：正向降壓端口和正向升壓端口。通過運行其中任一端口，該拓撲可在正向降壓模式或正向升壓模式下工作，為電池充電。另外，它還能在反向降壓模式下工作，通過USB端口為外部電子設備供電，例如平板電腦、智能手機或能夠為任何設備充電的新興便攜式移動電源。

　　ISL9237提供了豐富的功能特性，并且是一種能夠與SMBus主機通信的SMBus充電器。它符合USB 3.1規(guī)范和最新的英特爾IMVP8 PROCHOT#和PSYS要求，具備針對電池壓降、適配器過流、電池過流及過熱的保護功能。ISL9237提供兩級適配器電流限制功能，完全支持對電流限值和持續(xù)時間進行編程，以利用適配器的浪涌電流承受能力。另外它還支持外部移動電源及任何旅行電源適配器，包括那些未公布其電流處理能力的產(chǎn)品。

結論

　　由于ISL9237 USB-C升壓-降壓電池充電器的出現(xiàn)，移動PC系統(tǒng)和其他便攜式設備現(xiàn)在能夠采用基于可反轉USB Type-C連接器的最佳雙向輸電技術。USB-C簡化了計算機和外部電子設備雙向傳輸電力與數(shù)據(jù)的方式。USB-C生態(tài)系統(tǒng)正在迎來一個全新的未來，到時任何設備只需一根細小的線纜即可實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)和供電。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第25頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。