USB已從供電有限的數(shù)據(jù)接口，發(fā)展為帶有一個數(shù)據(jù)接口功能的重要供電部件。最新的USB 3.x協(xié)議支持更高水平的功率通量。默認電壓為5V，USB-C端口能與插入的設備“協(xié)商”，將端口電壓提高至20V。
USB Type-C也稱為 USB-C，而為多種外圍設備生成USB Type-C的充電電源，需要采用靈活的 DC/DC 變換器，它與控制器配合為相應設備提供所需的電壓和電流。隨著功率密度的增加，特別是在多電源端口或集線器應用中，效率變得至關重要，功耗也需要降至最低以最大限度地降低內熱。而USB 電源的可編程電源 (PPS) 規(guī)范可以助力電源轉換設備增加更多集成功能。
本文將重點介紹如何實現(xiàn)具有靈活功能的完整 USB C 供電 (PD) 解決方案。這種方案必須滿足 PPS 規(guī)范中列出的電流和電壓規(guī)范要求，同時仍支持全功能 USB Type-C產品。下述內容將涵蓋設計的主要方面，包括組件選擇、電路板布局以及如何利用可編程特性和設置進行功能優(yōu)化。以 MPS提供的MPQ4272 升壓/降壓變換器和MPQ4230升降壓變換器為例，我們將對器件操作進行分析，以優(yōu)化開關頻率和峰值電流，從而最大限度地減少功率傳輸損耗。本文還將介紹如何將 DC/DC 變換器與恰當?shù)?USB PD 控制器配合應用，以提供完整的 PD 解決方案。
USB 可編程電源 (PPS) 規(guī)范要求
PPS 標準是 USB PD 規(guī)范(通過http://usb.org可獲得)的一部分，主要側重于促進電池快速充電。 PPS電源可以每10秒與受電設備交換一次數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)USB電源受電設備設置的條件，電源可以動態(tài)調整輸出電壓和電流。PPS 功能允許對電壓和電流小步逐步改變。而受電設備可以請求電源做出這些改變。這種電源控制是減少功率轉換損耗的有效方法，當專用電池充電器增加了另一級轉換損耗時，尤其有用。
鋰離子電池充電的標準流程是從恒流充電狀態(tài)開始的(在保持固定恒定電流的同時電池電壓逐漸升高);然后在達到特定電壓之后，變?yōu)楹銐撼潆?在保持固定電壓的同時充電電流逐漸減小)。圖 1顯示了鋰離子電池的充電曲線。
圖1: 鋰離子電池充電曲線
早期USB 規(guī)范允許固定5V 的電源電壓。USB C PD 規(guī)范發(fā)展為包含其他更高的電壓選項，但不包括步進電壓變化。要為電池充電，最重要是有一個降壓穩(wěn)壓充電器，這無疑增加了另一個會產生熱量并降低效率的轉換步驟。
PPS 標準允許USB C電源提供電壓和電流控制，以便直接為電池充電，并減少功率損耗。PPS 電源能夠以20mV的標稱步長調整輸出電壓，并以50mA的步長用于電流限制。其電壓輸出范圍為3.3V至21V。 這個范圍與 USB 通信協(xié)議相結合，可為單節(jié)或多節(jié)電池電源提供智能充電解決方案。另外，有些應用因為與受電設備之間的電纜損耗而需要補償?shù)截撦d的 I-R 壓降，增量電壓控制也適用于這些應用。
USB電源解決方案
USB Type-C 電源的輸出必須符合輸出電壓和電流的規(guī)范，但電源的輸入可以具有多種特性，例如電壓范圍可寬可窄、功率能力可高可低。 為電源選擇電源轉換設備需要同時考慮輸入源以及所需的輸出功能，例如完整的USB Type-C 和PPS 功能。
由于電源的最大輸出電壓為 21V，超過 21V 的電源則需要使用降壓(buck或step-down) DC/DC 變換器。許多應用都要求較低的電壓，例如汽車的12V 電池需要使用升降壓 DC/DC 變換器將輸入電壓轉換為更高和更低的輸出電壓。相比有四個開關的升降壓變換器，只有兩個電源開關的降壓變換器更具成本效益，盡管升降壓變換器用途更廣。本文將對這兩種方案均進行說明(參見圖 2)。
圖2: USB電源解決方案
一個完整的 USB Type-C 解決方案需要一個電源轉換組件和一個 USB PD 控制器。 控制器完成與功率接收設備之間必要的握手，然后將正確的設置信息傳送到 DC/DC 變換器，以確保將電力輸送到 USB 端口。 下面的討論將以帶控制器的 DC/DC 變換器為例。
新供電要求中的一項獨特挑戰(zhàn)是如何使用一個4.5V-32V輸入電壓來提供一個5V-20V直流總線。一個4開關降壓-升壓轉換器是合適的拓撲結構，提供降壓或升壓電源轉換，因其可提供設計人員和客戶所需的寬電壓轉換范圍、正極性、高能效和小尺寸方案。安森美半導體用于USB供電和USB-C應用的NCP81239 4開關降壓-升壓控制器可以驅動4個開關，使轉換器能夠降壓或升壓，并支持用戶滿足USB供電(PD)規(guī)格，該規(guī)格適用于所有USB PD應用，如PC /筆記本電腦、移動電源和擴展口。
在同步降壓轉換器中，有個現(xiàn)象眾所周知，它稱為“低端誤導通”或“dv/dt電感導通”，這是造成擊穿的罪魁禍首，有可能損壞開關并降低整個轉換器的可靠性。
然后，這一問題在4開關降壓-升壓轉換器中翻了一番，因為它有兩個階段——降壓和升壓。當設計人員直接將降壓轉換器的電路參數(shù)復制到4開關降壓-升壓轉換器的升壓段時，就會產生錯誤。隨著這種拓撲結構在應用中越來越受歡迎，了解dv/dt電感導通問題變得越來越重要。
在4開關降壓-升壓轉換器中，dv/dt電感導通是由同步整流MOSFET在降壓段和升壓段快速升高的漏源電壓引起的。由于不需要的擊穿電流流過任一相橋臂，結果導致整個系統(tǒng)能效下降。電源設計人員可采用幾種經(jīng)濟的電路方案，包括最小化整流開關的關斷門極驅動電阻，增加有源開關的導通門極驅動電阻，或在開關節(jié)點加入RC緩沖電路。選擇具有低Qgd/Qgs(th)比率和高閾值電壓的MOSFET也可降低dv/dt電感誤導通的可能性。
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