【应用】瑞萨全新USB-C充电架构，可实现快速充电及可编程电源功能

时间： 2018-05-10 来源：RENESAS

USB-C接口正在彻底改变电子设备的充电方式。USB-C连接线无论哪一端都能连接智能手机或超级本。物理上，C型连接器既是双向的（无论线缆的哪一端都能插入两头的设备），也是无极性的（连接器插入时可以正面朝上，也可以反面朝上）。在协商过程中，连接系统可以电子地分辨出电极性。除了数据传输，USB-C还能支持更高功率水平的双向功率传输。默认电压为5V，USB-C端口能够与插入的设备协商，在双方同意的电流水平上，将端口电压提高到20V，或双方同意的其他电压值。USB-C端口提供的最大功率为100W（20V/5A），这用来给笔记本电脑充电已经绰绰有余了。优势如此明显，也就不难理解为什么电子设备制造商纷纷在其下一代产品中采用USB-C了。

随着USB PD和USB-C得到越来越多的采用，计算机行业对稳压器的性能提出了明显更高的要求。与电压值固定的传统USB-A和USB-B端口相比，USB-C端口是双向的，接受可变输入电压，输出电压范围为5V至20V。其可调节输出电压允许笔记本电脑和其他移动设备用USB-C端口替代传统AC/DC电源适配器和USB-A和B端子。考虑到这些优势，一些客户在其系统中设计了两个或多个USB-C端口。

不过，目前具有两个或多个USB-C端口的系统架构很复杂，不能满足很多客户的要求。本白皮书提出了一种全新的系统架构，该架构采用瑞萨电子的ISL95338 降压-升压稳压器和ISL95521A 组合式电池充电器。我们将讨论这种架构如何简化设计，并全面支持所有USB-C功能。我们还将说明这种架构如何应用到适配器端，以实现可编程电源（PPS），这种电源可以输出可调节电压，以匹配USB-C的可变输入电压。

一种新的USB-C架构

图1显示了一种新的USB-C架构，该架构由ISL95338双向降压-升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器或ISL9238降压-升压电池充电器组成。这种新架构允许系统通过USB-C端口给电池充电，当两个PD充电器插入USB-C_1和USB-C_2时，还支持快速充电功能。无需额外复杂的端口控制逻辑电路或IC，该架构的两个端口就可全面支持USB 3.1 On-The-Go（OTG）。

图1 瑞萨电子电池充电器架构 – 双USB-C端口，采用两个降压-升压稳压器和一个降压充电器

比较图1和图2很容易看出，要实现与瑞萨电子电池充电器架构相同的功能和性能水平，市场上现有的电池充电器架构需要更多器件和复杂的外部电路。显然，使用现有的电池充电系统，每个充电器通路都需要一个USB-PD控制器来控制2个ASGATE并执行充电功能，这提高了设计的系统成本。为了实现5V降压OTG，OTG门还需要一个PD控制器。注意，现有的降压转换器只能输出单一固定电压。图2显示，如果使用5V降压转换器，设计工程师只能输出一个固定5V电压，这与很多USB-C应用要求的可调5V-20V OTG输出电压不匹配。

图2 现有电池充电器架构 - 单一降压-升压充电器+复杂的外部逻辑电路

本文提出的瑞萨电子架构克服了所有这些缺点。图1显示，两个ISL95338并联，将两个USB-C端口连接到ISL95521A电池充电器。简化了系统架构，为客户节省了大量成本，因为去掉了不少元件，包括各个PD控制器、ASGATE和OTG GATE。最重要的是，使用了更少的元件但并未降低性能。例如，如果电池需要充电，那么就直接从USB-C输入向ISL95521A供电。此外，将两个ISL95338并联，可为客户应用提供更多选择。

例如，可以采用具有不同额定功率的两个USB-C输入来实现大功率电池充电，这意味着，电池充电功率高于单个USB-C输入功率。图1说明了这是如何实现的：在电压回路中放置一个ISL95338（设定为较高额定功率的USB-C）为ISL95521A输入提供恒定电压（V0），另外在电流回路中放置一个ISL95338（设定为较低额定功率的USB-C），自动为ISL95521A提供最大功率。换言之，无需增加额外的电路或逻辑来决定两个并联的ISL95338降压-升压稳压器的不同额定功率。

可以基于不同的额定功率自动选择ISL95338内部的控制回路，来充分利用输入电源。针对OTG功能，电池电源可通过二极管提供，用ISL95338将功率传输至USB-C输出。从而不再需要5V降压和OTG门，如图2所示。此外，通过在两个ISL95338、ISL95521A和PD控制器之间使用SMBus通信，OTG电压可以调节，而不是使用固定值。图3显示了一种大功率快速充电应用，其中，新的瑞萨电子电池充电架构可以进行扩展，可以将4个ISL95338与一个ISL95521A或ISL9238电池充电器并联。每个USB-C端口都可以作为汇（sink）或源（source）独立运行。该架构还可以将传统适配器作为电源结合到系统中，而不提高物料成本。

图3 实现4个USB-C端口的瑞萨电子电池充电器架构 - 4个降压-升压稳压器+1个降压充电器

可编程电源解决方案

在传统的USB-A和USB-B应用中，输入电压是固定值，这给USB-C应用带来了新的挑战，因为USB-C端口还可以接受可变输入电压。解决办法是可编程电源（PPS）功能，这种功能允许电源的输出电压和电流以20mV/50mA步进编程和调节，以优化电源通路。如图4所示，ISL95338降压-升压稳压器非常适合用于实现PPS，因为该稳压器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信，输出可调的双向电压。

图4 新型PPS架构

将ISL95338用在多端口USB-C电池充电系统中，可实现一种新的、易于使用的充电架构。与现有的充电架构相比，瑞萨电子的新架构能够以低很多的成本实现，而且提供更高的性能、更快速的充电和更长的电池寿命。此外，所有USB-C端口要求都能完全满足，包括能实现PPS，这是未来与计算机相关应用需要增加的关键USB功能之一。

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