【導讀】用于鋰離子和鋰聚合物電池的通用電池充電器與用于隨身充電 (OTG) 的 USB 3.0 供電 (PD) 技術一起使用的應用越來越廣泛，包括無人機、智能手機、平板電腦、無繩吸塵器、便攜式醫療設備、無線揚聲器和電子收銀機設備。在這些應用中，一直要求設計者減少充電時間和外形尺寸，提高功率密度，并降低成本。
降壓升壓電池充電器與 USB PD 相結合，可以開發出快速、高效、通用的輸入充電解決方案。但這些設備并不簡單，將它們設計成支持 USB OTG 規范可能需要大量的時間。這增加了成本，并可能影響設計進度。由于需要遵守USB 快速角色交換 (FRS) 的時間和控制標準，以確保正在提供電力的設備能夠迅速成為電源消耗者，并保證數據連接不間斷，因此設計過程可能變得更加復雜。
對于 USB PD 通用充電應用，設計者可以通過轉向集成充電器來解決其中許多問題。集成充電器可以簡化設計過程，支持全功能和緊湊型降壓升壓充電解決方案的實現，以低零件數和高功率密度提供高功率、快速充電。
本文簡要探討了基于 USB 3.0 和 USB Type-C?的通用充電需求，以及實現降壓升壓通用輸入 USB OTG 和 FRS 解決方案的復雜性。然后將回顧使用集成設備的好處，并介紹了 Texas Instruments 具有雙輸入選擇器以及 USB PD 3.0 OTG 和 FRS 支持的集成降壓升壓充電解決方案。最后還介紹了一個支持性評估模塊，以幫助設計者開始設計其下一個具有 OTG 和 FRS 功能的
通用和 OTG 充電與 FRS 的復雜性
通過建立一個標準化的連接器，USB Type-C 幫助實現了通用交流電源適配器的開發和電子垃圾的減少。但標準化連接器只是其中一個因素。便攜式設備的電池的芯數各不相同，且要求適配器額定功率范圍大，電壓橫跨 5 伏到 20 伏。不同適配器額定功率與不同電池電壓的組合，意味著 USB PD 充電解決方案架構是復雜和具有挑戰性的（圖 1）。
圖 1：USB PD充電解決方案的內部設計可能很復雜，因為它必須適應廣泛變化的電池單元配置和適配器電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
首先，USB PD 控制器 (U4) 必須識別適配器規格，包括：USB 電池充電規范修訂版 1.2 (USB BC1.2)、標準下行端口 (SDP)、充電下行端口 (CDP)、專用充電端口 (DCP)、高電壓專用充電端口 (HVDCP)，甚至非標準適配器。USB PD 控制器與適配器之間完成通信之后，輸入電源路徑管理和電流檢測單元 (U1) 打開背對背的功率 MOSFET，將輸入電壓從 VBUS 連接到降壓充電器 (U2) 的輸入端。輸入電源路徑管理單元還通過檢測電阻感應輸入電壓和電流，以支持過壓和過流保護。
在降壓升壓充電器單元 (U2) 中還有四個附加MOSFET，根據電池電壓的要求提高或降低輸入電壓。在降壓升壓充電器的輸出端需要另一個功率 MOSFET 和一個電流檢測電阻，以支持 USB PD 充電器的窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理和充電電流檢測。
NVDC 電源路徑管理是一個特定的控制協議，它將系統電壓調節至略高于電池電壓，并且不允許電壓下降到最低系統電壓以下。最低系統電壓是指，即使在電池被移除或完全放電的情況下也能使系統運行的電壓水平。此外，如果系統功率需求超過了輸入適配器的額定值，電池補充模式就會支持額外的系統功率需求，防止適配器過載。
OTG 電源和 FRS
為了支持 OTG 供電，圖 1 中的 DC-DC 轉換器 (U3) 用來對電池放電，以在 VBUS 上提供一個穩定的電壓，從而在適配器被移除時為外部設備供電，這是 USB OTG 規范的要求。如果還需要 FRS，DC-DC 轉換器必須被啟用并連續保持在待機模式，即使有一個適配器通過 USB Type-C 端口連接到 VBUS。如果適配器斷開，連接到 DC-DC 轉換器的背對背功率 MOSFET 就會打開，并連接轉換器的輸出，以保持 VBUS 并啟用 FRS。這種方法的缺點是，保持 DC-DC 轉換器處于待機狀態會增加系統的靜態電流損失。
集成 1 至 4 芯的降壓升壓充電器，具有 USB OTG 和 FRS 功能
如圖所示，設計一個通用 USB PD 充電解決方案以支持 OTG 和 FRS 可能是一項復雜的任務。對于使用一至四芯鋰離子電池或鋰聚合物電池的應用來說，Texas Instruments 為設計人員提供了 BQ25792RQMR 全集成降壓升壓充電器，支持 USB Type-C 和 USB PD 的全部輸入和輸出 OTG 電壓范圍，大大簡化了完整的 USB PD 充電解決方案的設計，包括 FRS 支持（圖 2）。一個可選的雙輸入電源多路復用控制器可以為兩個不同的輸入電源提供支持：即 VIN1的 USB Type-C 連接器和 VIN2 的輔助電源。
圖 2：BQ25792全集成降壓升壓充電器簡化了完整的 USB PD 充電解決方案的設計。（圖片來源：Texas Instruments）
BQ25792 支持廣泛的輸入，具體包括：
● 3.6 至 24 伏輸入電壓范圍。
● 檢測 USB BC1.2、SDP、CDP、DCP、HVDCP 和非標準適配器。
● 未知輸入源的最大功率點檢測。
BQ25792 包括集成輸入電流檢測，能夠讓充電器調節輸入電流并提供輸入過流保護，防止適配器過載。此外，外部背對背功率 MOSFET 的控制和驅動電路被整合為輸入過壓和過流保護電路的一部分，取代了圖 1 中輸入電源路徑管理和電流檢測單元 (U1) 的功能。
圖 1 降壓升壓充電器單元 (U2) 中集成的四個 MOSFET 能夠讓 BQ25792 充電器支持 OTG 充電。適配器存在時，充電器在標準充電模式下運行。適配器斷開時，電流就會反過來，從電池流向 VBUS。BQ25792 兼容完整的USB PD 3.0 電壓范圍規范，從 2.8 伏到 22 伏，可按 10 毫伏 (mV) 步長進行編程。
支持 FRS 的新方法
USB Type-C 端口對 FRS 的支持是通過一個稱為備用模式的功能實現的，該功能消除了對圖 1 中的 DC-DC 轉換器 (U3)的需要。BQ25792 支持降壓升壓充電器部分從正向充電模式到反向 OTG 模式的超快速切換，而不會出現總線電壓超出規格的情況。
在正常操作下，適配器通過 VIN1 端口連接到BQ25792，為電池充電，同時通過 PMID 輸出為系統和任何供電附件提供電源。如果適配器斷開，電池仍然可以為系統提供電源，但連接到 PMID 引腳的配件可能會失去電源。
使用備用模式時，充電器會不斷監測 VBUS 電壓。當 VBUS 下降到閾值水平以下時（表明失去了來自適配器的輸入），充電器會迅速從充電模式轉變為 OTG 模式，從電池放電，調節 VBUS 電壓，并進行 FRS，而不需要額外的 DC-DC 轉換器。在 BQ25792 中用備用電源模式實現 FRS，可以確保任何連接到 PMID 引腳的配件在 VBUS 電壓下降時不會失去電源（圖 3）。
圖 3：在BQ25792 中用備用電源模式實現 FRS，可以確保任何連接到 PMID 引腳的配件在 VBUS 電壓下降時不會失去電源。（圖片來源：Texas Instruments）
BQ25792 提供了1.5 兆赫 (MHz) 或 750 千赫(kHz) 開關頻率選擇，使設計者能夠根據應用的需要權衡解決方案的大小和效率。使用 1.5 MHz 的開關頻率可以使用小的電感（1 微亨利 (μH)）和電容值。使用 750 kHz 的開關頻率可以實現更高的效率，但由于電感 (2.2 μH) 和電容較大，導致解決方案尺寸也較大。
為了延長電池壽命，盡量減少電力損耗，系統在閑置、運輸或儲存期間是關閉電源的。在“運輸模式”下，I2C仍被啟用，但充電器的系統時鐘變慢，以盡量減少器件的靜態電流。在正常操作下，對于只用電池的操作，靜態電流為 21微安 (μA)。在“運輸模式”下，靜態電流下降到600 納安 (nA)。
為了幫助設計人員開始使用 BQ25792，Texas Instruments 提供了 BQ25792EVM 評估板 (EVB) 來實現同步降壓升壓充電器，為 1 至 4 芯電池提供高達 5 A 的充電電流，分辨率為 10 mA（圖 4）。這個 EVB 包括一個接口，可以在充電和 USB OTG 模式之間切換。此外，用戶可以通過一個集成的模數轉換器 (ADC) 監測充電器狀態、電壓和電流以及任何故障。
圖 4：BQ25792EVM評估板可用于實現同步降壓升壓充電器，提供高達 5A 的充電電流。（圖片來源：Texas Instruments）
該評估板的其他特點包括：
● USB 自動檢測、USB PD 和無線輸入，支持 3.6 至 24 伏輸入
● 雙輸入源選擇器，驅動雙向阻斷 NFET
● USB OTG 供電，2.8 至 22 伏輸出，分辨率為 10 mV
● 在關機/運輸模式下，靜態電流低于 1 μA
● 眾多的測試點、跳線和檢測電阻支持電壓和電流測量
結語
綜上所述，設計一個通用的 USB PD 充電解決方案可能是一項復雜的任務，設計支持 USB OTG 規范的充電器可能需要大量的時間。由于需要遵守 USB 快速角色交換 (FRS) 的時間和控制標準，設計過程會變得更加復雜。其結果可能是增加成本和影響設計進度。
為了避免這種情況，市面上提供了集成式降壓充電器，可支持便攜式設備設計者對 USB PD、OTG 充電的需求。它們遵守 USB FRS 定時和控制標準，減少了鋰電池的充電時間，縮小了外形尺寸，提高了功率密度，降低了成本，并加快產品上市速度。
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