近几年,降压 - 升压型充电器变得越来越流行,因为它能够从几乎任何输入源为电池充电,无论输入电压是高于或低于电池电压。


USB Type-C 被广泛采用的一大关键性优势是它被认为是目前实现通用适配器和减少相应电子废弃物减少理想方案。虽然 USB Type-C 接口是统一的,但是不同适配器的额定功率和电压仍然有很大的差异,这里面包含了传统的 5 V USB 适配器和能够提供 5 V 到 20 V 电压范围的 USB PD 适配器。此外,不同的便携式设备内部的电池数串联节数也有可能不同。这就要求电池充电器集成电路(IC)采用降压 - 升压拓扑结构, 去适应输入电压和电池电压的这些任意的变化。 具有高功率密度的降压 - 升压充电芯片不仅可以集成通用的充电功能模块,也可以集成 USB PD 充电系统中的其他元件,如负载开关和 DC/DC 转换器,以简化系统设计,降低物料清单(BOM)成本,并保持小尺寸的整体解决方案。图 1 显示了 USB PD 充电解决方案的系统框图。

 

图 1 USB PD 充电解决方案的系统框图。


为支持移动 USB OTG 充电规格,当适配器不存在时,电池通过 DC/DC 转换器放电,在 VBUS 输出一个恒定电压去给外部设备供电。如果 USB Type-C 端口需要支持快速角色交换(FRS)的功能,则必须开启 DC/DC 转换器并始终处于待机状态,即使已将适配器插入 USB Type-C 端口。当适配器断开时,放电电源路径中的背对背 MOSFETs 迅速打开,将 U3 输出电压传递给 VBUS 并保持 VBUS 电压不跌落。在这个过程中,始终保持 DC/DC 转换器开启的状态实际上会给整个系统造成额外的静态电流损失。


图 2 中所示的全集成降压 - 升压充电芯片可以简化 USB PD 充电解决方案的系统级设计。首先,将输入电流检测电路集成到芯片中。通过该电路检测到的输入电流,充电器提供输入电流调节和输入电流过流保护来避免适配器过载。 其次,作为输入过电压和过电流保护电路的一部分,外部背对背 MOSFET 的控制逻辑和驱动电路也被集成到充电器中。这些功能使得从框图中消除支持输入功率路径管理和输入电流检测的单元成为可能。


通过实现四个 FETs 的降压 - 升压转换器的双向操作,充电芯片自身可以支持 OTG 模式。当适配器插入 USB 端口时,充电芯片以正向充电模式工作,功率从 VBUS 流向电池。当适配器断开时,功率从电池流向 VBUS。VBUS 处的 OTG 输出电压覆盖从 2.8 V 到 22 V 的全 USB PD 电压范围,具有 10mV 可编程步长,与 USB PD 3.0 规格兼容。

 

图 2 全集成降压 - 升压充电芯片。


为了支持 USB Type-C 端口的 FRS 功能,此集成降压 - 升压充电芯片实现了一种新的备用模式。在本文中,备用模式是指降压 - 升压充电芯片从正向充电模式到反向 OTG 模式的快速转换,从而避免总线电压的跌落。查看图 3 中的应用框图,适配器连接到 USB 端口,为系统供电,并通过降压 - 升压功率级为电池充电。同时,适配器可以从充电器的 PMID 输出为系统配件供电。如果降压 - 升压充电芯片不支持备用模式的话,当适配器断移走时,电池仍然可以通过芯片内部的 FET 为系统供电。然而,PMID 上的配件供电可能会掉电。


充电芯片启用备用模式后,能够监测 VBUS 电压。VBUS 电压跌落低于预设阈值可以作为适配器已移除的信号。一旦充电芯片检测到适配器已移除,它将以迅速的从正向充电模式切换到反向 OTG 模式,利用电池放电的能量去维持住 VBUS 电压,并自行实现 FRS。当适配器移除时,系统本身以及系统配件的供电都可以从适配器无缝地切换到电池,这样的作法可以从框图中消除用于 OTG 模式和 FRS 的 DC/DC 转换器。


图 4 显示了充电芯片用作支持 FRS 的备用模式的测试波形。在 USB1 处连接了 9 V 适配器作为输入电源。当适配器插入后,充电芯片打开 ACFET1-RBFET1 将适配器接入 VBUS。该波形的测试条件是,PMID 处有 1 A 的电流给系统附件供电,BAT 处有 1 A 的充电电流。当 9 V 适配器电压(VAC)移除时,充电芯片迅速的从正向充电模式转向反向 OTG 模式, 仍可以将 PMID 和 VBUS 维持在 5 V,同时持续向 1 A PMID 负载供电。

 

图 3 用单个降压 - 升压充电器实现 USB Type-C FRS。

 

图 4 从 VBUS sink 到 VBUS source 的降压 - 升压充电器 FRS。


以上描述的所有功能都有助于简化 USB PD 充电解决方案的系统级设计,并且 TI 已经在新型降压 - 升压充电芯片 BQ25790 和 BQ25792 中实现。这些充电芯片支持从 3.6 V 到 24 V 的输入电压范围为 1 到 4 节串联电池充电,输入范围覆盖了整个 USB PD 电压范围。


这些功能采用 2.9 mm×3.3 mm 晶圆尺寸封装或 4 mm×4 mm 方形扁平无铅封装。整个充电解决方案能够提供 45 W 的功率,功率密度约为 100 W/in2 (150mV/mm2),是市场同类产品的两倍。