新的 USB 3.1 Type-C 標(biāo)準(zhǔn)極大地簡化了我們互連和為電子產(chǎn)品供電的方式。該標(biāo)準(zhǔn)利用 USB Type-C 連接器在任意兩個(gè)設(shè)備之間傳輸高達(dá) 100W 的數(shù)據(jù)和功率。因此，電池充電系統(tǒng)需要更多的功能，對(duì)于每個(gè)新的便攜式設(shè)備來說，電池充電系統(tǒng)往往越來越小、越來越輕。本文回顧了典型的 USB Type-C 充電系統(tǒng)，并展示了如何簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)在更小的空間內(nèi)提供更多功率和更多功能。
    USB 3.1 Type-C 標(biāo)準(zhǔn)
    USB 3.1 Type-C(又名 USB-C)是一種新標(biāo)準(zhǔn)，它支持高數(shù)據(jù)速率并增加電子產(chǎn)品之間的功率傳輸。USB 3.1 可以提供 10Gbps 的吞吐量，同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)電纜提供高達(dá) 3A 的電流，通過增強(qiáng)型電纜提供高達(dá) 5A 的電流?？偩€電壓可調(diào)節(jié)至 20V(標(biāo)準(zhǔn)電纜為 3A 時(shí)為 60W，增強(qiáng)型電纜為 5A 時(shí)為 100W)。當(dāng)今許多筆記本電腦需要不到 100W 的功率，因此采用 Type-C 連接器的新型號(hào)可以通過 USB 端口進(jìn)行充電，就像當(dāng)今小型設(shè)備的充電方式一樣。
    USB 3.1 Type-C 標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性要求設(shè)備在進(jìn)行電力傳輸之前協(xié)商為電力供應(yīng)商(電源)或電力用戶(接收器)。Type-C線纜兩端的連接器是相同的，允許可逆插入。每個(gè)連接器也是可翻轉(zhuǎn)的，這允許它以任一面朝上的方式插入。Type-C USB 還允許雙向供電，因此可以為外圍設(shè)備充電，并且同一設(shè)備也可以為主機(jī)設(shè)備充電。這有望消除許多專有電源適配器和多種類型的 USB 電纜，終減少當(dāng)今桌面周圍的電線迷宮。
    配置通道檢測
    USB Type-C 的一個(gè)新特性是配置通道 (CC) 檢測。配置通道邏輯檢測電纜的存在、方向和載流能力。當(dāng)兩條 CC 線之一被拉下時(shí)發(fā)生電纜檢測。下拉哪條線(CC1 與 CC2)決定了電纜的方向。載流能力由終端電阻的值決定。USB Type-C的另一個(gè)新特性是冷插拔，即只有在端到端檢測成功后才提供5V。此功能在 USB Type-C 應(yīng)用中強(qiáng)制要求 CC 檢測。
    USB 3.1 典型系統(tǒng)
    我們展示了一個(gè)典型的便攜式電源管理前端，配備連接 USB Type-C 電纜并由鋰離子 (Li+) 電池供電。
    當(dāng) VBUS 電壓存在時(shí)，它為充電器、系統(tǒng)和其余模塊供電。在這個(gè)階段，電池通過 Q BATT 作為電流源充電。當(dāng) VBUS 斷開時(shí)，電池通過 Q BATT為系統(tǒng)供電，該 Q BATT 作為“開啟”開關(guān)運(yùn)行。
    通過 USB Type-C 協(xié)議，CC1 和 CC2 引腳確定端口連接、電纜方向、角色檢測和端口控制。圖 2 中的充電器還支持傳統(tǒng)協(xié)議 Battery Charger 1.2 (BC1.2)。
    典型解決方案
    就物料清單 (BOM) 和 PCB 空間而言，電池系統(tǒng)的典型實(shí)施可能非常昂貴。顯示了充電器和檢測部分的 PCB 尺寸，使用兩個(gè) IC，一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于兩個(gè)檢測塊。兩芯片方案加上無源器件占用61mm 2。
    高度集成的解決方案
    通過更高的集成度實(shí)現(xiàn)了 BOM 的更大簡化。在藍(lán)色突出顯示的框顯示了理想情況下可以集成到單個(gè)電源管理 IC (PMIC) 中的所有模塊。
    采用這種集成度，系統(tǒng)的復(fù)雜性大大降低。
    集成 USB Type-C 充電器
    MAX77860具有更高的集成度，這是一款高性能、單輸入開關(guān)模式充電器，具有用于單節(jié) Li+ 電池的 USB Type-C 配置通道檢測功能(圖 6)。該 IC 支持高達(dá) 15W 的應(yīng)用，包括反向升壓功能、高壓 LDO 和 6 通道 ADC。開關(guān)充電器設(shè)計(jì)有強(qiáng)大的恒流、恒壓和芯片溫度調(diào)節(jié)算法和輸入功率調(diào)節(jié)，以及 I 2 C 可編程設(shè)置，以適應(yīng)各種電池尺寸和系統(tǒng)負(fù)載。它適合緊湊的 3.9mm x 4.0mm WLP 封裝。
    在典型系統(tǒng)中，微控制器或主機(jī)微處理器根據(jù)端口控制器 IC 檢測到的電流水平來配置充電器的輸入電流限制。MAX77860獨(dú)立設(shè)置充電器的輸入電流限制，允許充電器以電源的全部容量為電池充電，從而加快充電速度。這也簡化了主機(jī)軟件開發(fā)。
    設(shè)計(jì)靈活性
    向后兼容性支持適用于 USB Type-C 和傳統(tǒng)適配器的設(shè)計(jì)。集成 ADC 可釋放微控制器中的資源，同時(shí)為復(fù)雜的電源管理提供準(zhǔn)確的電壓、電流和溫度測量。
    OTG 電源的反向升壓
    USB On-The-Go (OTG) 是一種規(guī)范，它允許 USB 設(shè)備(如手持計(jì)算機(jī)和終端、便攜式游戲機(jī)和電池供電的健康監(jiān)測設(shè)備)充當(dāng)主機(jī)。這允許將其他 USB 設(shè)備或附件(例如 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器、數(shù)碼相機(jī)、鼠標(biāo)或鍵盤)連接到它們。USB Type-C 規(guī)范還允許設(shè)備通過反向升壓功能為其他設(shè)備供電。
    在充電模式下，當(dāng) S 1 打開時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器(降壓模式下的 S 2 和 S 3 同步開關(guān))將 CHGIN 電壓降壓到 SYS 引腳。從那里，控制傳輸晶體管S 4的線性調(diào)節(jié)器為電池充電(S 4 開啟)。
    在沒有輸入電源的反向升壓模式 (OTG) 中，電池電壓 (S 4 完全開啟)在 CHGIN 引腳 (S 1開啟) 處被升壓 (S 2 和 S 3 在升壓模式下同步切換 )。
    在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，反向升壓模式不需要額外的電感器。然后將升高的 CHGIN 電壓用于 USB OTG 功能。
    在純電池模式下，開關(guān) S 1 關(guān)閉。
    安全輸出 LDO
    安全輸出 LDO 是一種受保護(hù)的高壓輸入線性穩(wěn)壓器，可通過 I 2 C 寄存器提供 3.3V/4.85V/4.9V/4.95V 的可編程輸出電壓。它用于為低壓額定 USB 系統(tǒng)供電。當(dāng) CHGIN ≥ 3.2V 時(shí)安全輸出線性穩(wěn)壓器開啟，當(dāng) CHGIN 大于過壓閾值時(shí)禁用。
    結(jié)論
    新的 USB 3.1 Type-C 標(biāo)準(zhǔn)要求電池充電系統(tǒng)提供更多功能，即使安裝在越來越小、越來越輕的便攜式設(shè)備中也是如此。
    我們回顧了一個(gè)典型的充電解決方案，其集成度低，導(dǎo)致需要大 PCB 面積的大 BOM。
    高度集成的解決方案，如 MAX77860 USB Type-C 3A 開關(guān)模式充電器所示，通過集成充電器、電源路徑、Safeout LDO、ADC、USB-C 配置通道和 BC 1.2 檢測，顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜性采用小型 3.9mm x 4.0mm、0.4mm 間距、WLP 封裝。OTG 功能無縫集成，無需額外的電感器。這種集成水平簡化了設(shè)計(jì)，能夠在的 PCB 空間內(nèi)提供更多的功率和更多的功能。