詳解USB-C應用新架構

　　USB-C接口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(xié)商過程中，連接系統(tǒng)可以電子地分辨出電極性。除了數(shù)據(jù)傳輸，USB-C還能支持更高功率水平的雙向功率傳輸。默認電壓為5V，USB-C端口能夠與插入的設備協(xié)商，在雙方同意的電流水平上，將端口電壓提高到20V，或雙方同意的其他電壓值。USB-C端口提供的最大功率為100W(20V/5A)，這用來給筆記本電腦充電已經綽綽有余了。優(yōu)勢如此明顯，也就不難理解為什么電子設備制造商紛紛在其下一代產品中采用USB-C了。

　　隨著USB PD和USB-C得到越來越多的采用，計算機行業(yè)對穩(wěn)壓器的性能提出了明顯更高的要求。與電壓值固定的傳統(tǒng)USB-A和USB-B端口相比，USB-C端口是雙向的，接受可變輸入電壓，輸出電壓范圍為5V至20V。其可調節(jié)輸出電壓允許筆記本電腦和其他移動設備用USB-C端口替代傳統(tǒng)AC/DC電源適配器和USB-A和B端子?？紤]到這些優(yōu)勢，一些客戶在其系統(tǒng)中設計了兩個或多個USB-C端口。

　　不過，目前具有兩個或多個USB-C端口的系統(tǒng)架構很復雜，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(tǒng)架構，該架構采用Intersil的ISL95338降壓-升壓穩(wěn)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，并全面支持所有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(xiàn)可編程電源(PPS)，這種電源可以輸出可調節(jié)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(wěn)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(tǒng)通過USB-C端口給電池充電，當兩個PD充電器插入USB-C_1和USB-C_2時，還支持快速充電功能。無需額外復雜的端口控制邏輯電路或IC，該架構的兩個端口就可全面支持USB 3.1 On-The-Go(OTG)。

　　圖1. Intersil電池充電器架構 – 雙USB-C端口，采用兩個降壓-升壓穩(wěn)壓器和一個降壓充電器

　　USB-Type-C：USB-C端口

　　Bi-directional：雙向

　　2 & 3-cell Li-ion：2或3節(jié)鋰離子電池

　　比較圖1和圖2很容易看出，要實現(xiàn)與Intersil電池充電器架構相同的功能和性能水平，市場上現(xiàn)有的電池充電器架構需要更多器件和復雜的外部電路。顯然，使用現(xiàn)有的電池充電系統(tǒng)，每個充電器通路都需要一個USB-PD控制器來控制2個ASGATE并執(zhí)行充電功能，這提高了設計的系統(tǒng)成本。為了實現(xiàn)5V降壓OTG，OTG門還需要一個PD控制器。注意，現(xiàn)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。

　　圖2. 現(xiàn)有電池充電器架構 - 單一降壓-升壓充電器+復雜的外部邏輯電路

　　USB-Type-C 1：USB-C端口1

　　5V OTG only：僅5V OTG

　　Charging battery & Support system：充電電池和支持系統(tǒng)

　　External input power selection logic circuitry：用于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并聯(lián)，將兩個USB-C端口連接到ISL95521A電池充電器。簡化了系統(tǒng)架構，為客戶節(jié)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并未降低性能。例如，如果電池需要充電，那么就直接從USB-C輸入向ISL95521A供電。此外，將兩個ISL95338并聯(lián)，可為客戶應用提供更多選擇。

　　例如，可以采用具有不同額定功率的兩個USB-C輸入來實現(xiàn)大功率電池充電，這意味著，電池充電功率高于單個USB-C輸入功率。圖1說明了這是如何實現(xiàn)的：在電壓回路中放置一個ISL95338(設定為較高額定功率的USB-C)為ISL95521A輸入提供恒定電壓(V0)，另外在電流回路中放置一個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并聯(lián)的ISL95338降壓-升壓穩(wěn)壓器的不同額定功率。

　　可以基于不同的額定功率自動選擇ISL95338內部的控制回路，來充分利用輸入電源。針對OTG功能，電池電源可通過二極管提供，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(jié)，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電池充電器并聯(lián)。每個USB-C端口都可以作為匯(sink)或源(source)獨立運行。該架構還可以將傳統(tǒng)適配器作為電源結合到系統(tǒng)中，而不提高物料成本。

　　圖3. 實現(xiàn)4個USB-C端口的Intersil電池充電器架構 - 4個降壓-升壓穩(wěn)壓器+1個降壓充電器

　　USB-Type-C 1：USB-C端口1

　　Normal adaptor：普通適配器

　　2 & 3-cell Li-ion：2或3節(jié)鋰離子電池

　　可編程電源解決方案

　　在傳統(tǒng)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(zhàn)，因為USB-C端口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(jié)，以優(yōu)化電源通路。如圖4所示，ISL95338降壓-升壓穩(wěn)壓器非常適合用于實現(xiàn)PPS，因為該穩(wěn)壓器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信，輸出可調的雙向電壓。

　　圖4. 新型Intersil PPS架構

　　USB-PD Controller：USB-PD控制器

　　Buck-Boost VR：降壓-升壓穩(wěn)壓器

　　USB-C Port：USB-C端口

　　結論

　　將ISL95338用在多端口USB-C電池充電系統(tǒng)中，可實現(xiàn)一種新的、易于使用的充電架構。與現(xiàn)有的充電架構相比，Intersil的新架構能夠以低很多的成本實現(xiàn)，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端口要求都能完全滿足，包括能實現(xiàn)PPS，這是未來應用需要增加的關鍵USB功能之一。