本文将重点介绍如何实现具有灵活功能的完整 USB C 供电 (PD) 解决方案。这种方案必须满足 PPS 规范中列出的电流和电压规范要求，同时仍支持全功能 USB Type-C产品。下述内容将涵盖设计的主要方面，包括组件选择、电路板布局以及如何利用可编程特性和设置进行功能优化。以 MPS提供的MPQ4272 升压/降压变换器和MPQ4230升降压变换器为例，我们将对器件操作进行分析，以优化开关频率和峰值电流，从而最大限度地减少功率传输损耗。本文还将介绍如何将 DC/DC 变换器与恰当的 USB PD 控制器配合应用，以提供完整的 PD 解决方案。

 

USB 可编程电源 (PPS) 规范要求

 

PPS 标准是 USB PD 规范（通过usb.org可获得）的一部分，主要侧重于促进电池快速充电。 PPS电源可以每10秒与受电设备交换一次数据，因此，根据USB电源受电设备设置的条件，电源可以动态调整输出电压和电流。PPS 功能允许对电压和电流小步逐步改变。而受电设备可以请求电源做出这些改变。这种电源控制是减少功率转换损耗的有效方法，当专用电池充电器增加了另一级转换损耗时，尤其有用。

 

锂离子电池充电的标准流程是从恒流充电状态开始的（在保持固定恒定电流的同时电池电压逐渐升高）；然后在达到特定电压之后，变为恒压充电（在保持固定电压的同时充电电流逐渐减小）。图 1显示了锂离子电池的充电曲线。

 

图1: 锂离子电池充电曲线

 

早期USB 规范允许固定5V 的电源电压。USB C PD 规范发展为包含其他更高的电压选项，但不包括步进电压变化。要为电池充电，最重要是有一个降压稳压充电器，这无疑增加了另一个会产生热量并降低效率的转换步骤。

 

PPS 标准允许USB C电源提供电压和电流控制，以便直接为电池充电，并减少功率损耗。PPS 电源能够以20mV的标称步长调整输出电压，并以50mA的步长用于电流限制。其电压输出范围为3.3V至21V。 这个范围与 USB 通信协议相结合，可为单节或多节电池电源提供智能充电解决方案。另外，有些应用因为与受电设备之间的电缆损耗而需要补偿到负载的 I-R 压降，增量电压控制也适用于这些应用。

 

USB电源解决方案

 

USB Type-C 电源的输出必须符合输出电压和电流的规范，但电源的输入可以具有多种特性，例如电压范围可宽可窄、功率能力可高可低。 为电源选择电源转换设备需要同时考虑输入源以及所需的输出功能，例如完整的USB Type-C 和PPS 功能。

 

由于电源的最大输出电压为 21V，超过 21V 的电源则需要使用降压（buck或step-down） DC/DC 变换器。许多应用都要求较低的电压，例如汽车的12V 电池需要使用升降压 DC/DC 变换器将输入电压转换为更高和更低的输出电压。相比有四个开关的升降压变换器，只有两个电源开关的降压变换器更具成本效益，尽管升降压变换器用途更广。本文将对这两种方案均进行说明（参见图 2）。

 

图2: USB电源解决方案

 

一个完整的 USB Type-C 解决方案需要一个电源转换组件和一个 USB PD 控制器。 控制器完成与功率接收设备之间必要的握手，然后将正确的设置信息传送到 DC/DC 变换器，以确保将电力输送到 USB 端口。 下面的讨论将以带控制器的 DC/DC 变换器为例。

 

USB Type-C降压变换器解决方案

 

一个理想的 USB C 降压变换器解决方案应包括高效同步开关 FET、具有内置补偿功能的多功能控制元件，以及串行通信接口以提供与 USB 控制器设备之间的直连链路。MPS 的 MPQ4272即具备这些功能，而且可以为双端口 USB 应用提供双输出配置。我们将以该器件为例来说明降压 USB Type-C 解决方案。MPQ4272 降压变换器提供最大 36V 输入电压和每输出高达 3A 的负载电流，可以实现60W双输出电源解决方案（见图 3）。

 

图3: V_IN = 24V, V_OUT1, V_OUT2 = 3.3V 至21V, 3A 负载电流

 

图 3 显示的电路将来自 AC/DC 壁式适配器的 24V 输入转换为两个输出，适用于 PPS 3.3V 至 21V 的输出电压范围。SCL和SDA为 I2C 串行接口信号，可访问寄存器以进行一般控制以及电流和电压控制。 该电路还提供遥测功能，用于电压、电流和温度监测。

 

该解决方案的特点包括：用于改进 USB 输出电压调节的线路压降补偿、可选开关频率和高达 98% 的效率（见图 4）。这种高效率源自功率 MOSFET上管22mΩ 和下管 26mΩ 的低导通电阻，其产生的功耗超低，在双通道均为5V/3A 负载供电的条件下，外壳温升仅为40°C （建议在 4 层 PCB 上布局）。

 

图4: MPQ4272效率曲线

 

输出电压控制功能可以调整步长并轻松实现20mV的步长；而恒流控制模式则可以提供PPS要求的50mA步长。 

 

升降压USB Type-C解决方案

 

使用其他较低电源电压的 USB Type-C 电源产品（例如 12V 壁式适配器或具有不同输入源的设备）则同时需要降压和升压 DC/DC 模式，以生成完整的 3.3V 至 21V 输出电压范围。

 

MPQ4230即提供了一种升降压解决方案，它具有最大 36V 输入电压和四个集成开关 MOSFET，可以支持单电感升降压变换。它能够为 20V 输出提供 3A 负载电流，输入低至 9V。 作为最佳解决方案之一，MPQ4230 可以通过控制电路在降压或升压模式下均利落地进行切换。当输入电源电压接近稳压输出电压时，会启用一种特殊的升降压模式，所有四个开关都按顺序向负载提供有效的功率传输。输出恒流和恒压控制则实现了PPS 操作的适当步长。

 

图 5 显示了 MPQ4230 为具有 USB-PD 和 PPS 能力的USB Type-C 单端口供电。MPQ4230 的稳压输出电压直接连接至 MPQ5031的 USB VBUS 信号。PD 控制器由MPQ5031实现，它是一个下行端口 (DFP)，适用于USB 供电应用。 它用 I2C 串行接口来控制 MPQ4230 的操作，包括启用器件、设置输出电压和电流限制以及调整线路压降补偿等参数。

 

 

图5: V_IN = 12V, V_OUT = 3.3V 至 21V，用于USB PD 和 PPS 应用

 

结论

 

现有USB 单端口和多端口电源产品可提供扩展功能，以更好地控制多种应用，包括支持PPS的直接电池充电。本文展示了要求USB-PD 和 PPS 功能的USB Type-C 端口供电设备和解决方案，这种需求在用于各种应用的最新消费类和汽车产品中变得越来越普遍。 这些解决方案均具有高效率、全面保护功能和多样的可编程功能，可提供经济高效的高性能电力输送。

 

 

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