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谁才是USB Type-C/QC快充最合适的电源控制器?

时间:06-18 来源:网络整理 点击:

随着电脑、手机、数码相机等电子产品的普及,电子设备间通过互联来传输数据以及快速充电的应用越来越多,这就使USB type-c和Quick Charge(QC)成为市场发展的新趋势。USB type-c接口的目标是将不同电子设备之间的互联采用统一的接口,同时可以提供电源和传输数据,也支持音视频和客户个性化的通信协议。而Quick Charge是通过提升输出电压来降低电缆和接头上的损耗以增大输出功率,并通过USB 信号线D+、D-的不同状态来设定输出电压。

因此,要想满足USB type-c和Quick Charge这两个标准,就需要一款能够根据用电设备的要求进行电压调节的电源控制器。安森美半导体的单电感H桥升降压电源控制器 NCP81239就是非常理想的选择。它可以适配宽输入电压范围和宽输出电压范围,芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器(MCU)配合进行输出电压的步进调整,且可在同一个type-c端口实现多种快充协议,还能对接苹果LighTIng 接口快充协议、三星接口快充协议等等。

NCP81239的功能特性及工作原理
NCP81239支持宽输入电压范围,提供从150 kHz至1.2 MHz动态可编程的开关频率,集成4个MOSFET驱动,采用双沿电流模式控制,支持输出预偏置启动,自适应死区时间控制防止直通,具有独立的输入和输出电流检测,输出电压(范围0至20V)可以通过I2C 编程,集成过压、欠压、过流和精确的过载保护等完善的保护功能,同时还提供对5 V Vconn电源的保护。


图1:NCP81239典型应用电路图

NCP81239采用双沿电流模式升降压控制,可实现降压模式到升压模式的无缝切换。I²C接口仅用两条信号线实现双向串行通信,开漏极的连接可以方便的在不同逻辑电平间接口,兼容1.8 V,2.5 V,3.3 V和5 V逻辑电平的MCU。

输入输出电流可以通过高边的检测电阻进行检测,检测到的电压分为内部和外部两个通道:内部电流信号用于电流模式的环路控制和限流保护,过流保护可以通过内部寄存器进行设置或屏蔽,内部固定增益为10倍,内部电流值通过模数转换器(ADC)存入对应的寄存器,可以通过I2C读取;外部电流信号可以被MCU读取执行相应的软件操作,外部的阻抗可以设定电流测量的量程,电流检测运放跨导为5mS,外部也可以接电阻电容将电流信号滤成平均值。

NCP81239内置4通道7位ADC,可实现输入、输出之间的A/D转换,相应的值可通过I2C读取内部寄存器的方式进行读取。内部的反馈参考电压通过9位的DAC进行设定,参考电压范围为0 V到2.55 V,输出电压范围同时可以通过外部的分压网络进行设定。由于内部步长有9位ADC,步长比较小,所以便于用MCU I2C接口进行设定补偿电缆压降,从而使负载端电压可保持在设定值的误差范围内,非常适合QC3.0 或USB PD等需要调压的场合。 在USB PD、QC2.0、QC3.0等规格下,如需对输出电压进行动态的设定,会涉及到调压速率。如果调压速度过快会导致电感电流过冲,输出电压过冲或下冲。NCP81239内置寄存器,可通过I2C接口设置,从而控制调压时电压上升和下降的斜率。

NCP81239通过RS1检测输入的峰值电流来进行正向过流保护,限流模式为逐波加打嗝模式。无论在降压模式还是在升压模式,在一个周期中检测到过流时,会立即关断Q1限制输入功率。如果逐波限流的时间达到2mS或FB电压低于300毫伏,则进入快速关断模式,同时关断4个开关,10 mS 后会重新软启动到原来设定的输出电压和电流。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定,电流检测电阻的选择要保证CSP1-CSN1的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻,对应的峰值过流保护值如下表,默认值7.6 A。


表1:5 m?检测电阻对应的峰值过流保护值(正向过流保护)

对4开关同步整流的升降压控制在轻载模式、重载到轻载的转换过程、输出过压保护、输出从高电压向低电压调整过程中会有反向电流产生。CSP2/CSN2用于反向电流的检测,当反向电流超过限流设定值时,如果输出电压在设定电压范围内,Q4会立即关断防止反方向电流继续增加。如果是在在降压模式下,Q2关断时Q4会重新导通。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定,电流检测电阻的选择要保证CSP2-CSN2的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻,对应的峰值过流保护值如下表,默认值-8 A。


表2:5 m?检测电阻对应的峰值过流保护值(反向过流保护)

当输出电压高于设定值110%,时间超过一个开关周期,NCP81239会进入过压保护模式。过压保护时,S1关断,S2导通,S3和S4会交替导通将输出电压放电,同时防止

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