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如何为USB Type-C和QC 3.0选择合适的电源控制器

发布时间：2017-07-06 责任编辑：susan

【导读】随着电脑、手机、数码相机等电子产品的普及，电子设备间通过互联来传输数据以及快速充电的应用越来越多，这就使USB type-c和Quick Charge（QC）成为市场发展的新趋势。
 
USB type-c接口的目标是将不同电子设备之间的互联采用统一的接口，同时可以提供电源和传输数据，也支持音视频和客户个性化的通信协议。而Quick Charge是通过提升输出电压来降低电缆和接头上的损耗以增大输出功率，并通过USB 信号线D+、D-的不同状态来设定输出电压。
 
因此，要想满足USB type-c和Quick Charge这两个标准，就需要一款能够根据用电设备的要求进行电压调节的电源控制器。单电感H桥升降压电源控制器 NCP81239就是非常理想的选择。它可以适配宽输入电压范围和宽输出电压范围，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器（MCU）配合进行输出电压的步进调整，且可在同一个type-c端口实现多种快充协议，还能对接苹果LighTIng 接口快充协议、三星接口快充协议等等。
 
NCP81239的功能特性及工作原理
 
NCP81239支持宽输入电压范围，提供从150 kHz至1.2 MHz动态可编程的开关频率，集成4个MOSFET驱动，采用双沿电流模式控制，支持输出预偏置启动，自适应死区时间控制防止直通，具有独立的输入和输出电流检测，输出电压（范围0至20V）可以通过I2C 编程，集成过压、欠压、过流和精确的过载保护等完善的?；すδ?，同时还提供对5 V Vconn电源的?；ぁ?/div>
 
图1：NCP81239典型应用电路图
 
NCP81239采用双沿电流模式升降压控制，可实现降压模式到升压模式的无缝切换。I²C接口仅用两条信号线实现双向串行通信，开漏极的连接可以方便的在不同逻辑电平间接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V逻辑电平的MCU。
 
输入输出电流可以通过高边的检测电阻进行检测，检测到的电压分为内部和外部两个通道：内部电流信号用于电流模式的环路控制和限流?；?，过流?；た梢酝ü诓考拇嫫鹘猩柚没蚱帘危诓抗潭ㄔ鲆嫖?0倍，内部电流值通过模数转换器（ADC）存入对应的寄存器，可以通过I2C读??；外部电流信号可以被MCU读取执行相应的软件操作，外部的阻抗可以设定电流测量的量程，电流检测运放跨导为5mS，外部也可以接电阻电容将电流信号滤成平均值。
 
NCP81239内置4通道7位ADC，可实现输入、输出之间的A/D转换，相应的值可通过I2C读取内部寄存器的方式进行读取。内部的反馈参考电压通过9位的DAC进行设定，参考电压范围为0 V到2.55 V，输出电压范围同时可以通过外部的分压网络进行设定。由于内部步长有9位ADC，步长比较小，所以便于用MCU I2C接口进行设定补偿电缆压降，从而使负载端电压可保持在设定值的误差范围内，非常适合QC3.0 或USB PD等需要调压的场合。
 
在USB PD、QC2.0、QC3.0等规格下，如需对输出电压进行动态的设定，会涉及到调压速率。如果调压速度过快会导致电感电流过冲，输出电压过冲或下冲。NCP81239内置寄存器，可通过I2C接口设置，从而控制调压时电压上升和下降的斜率。
 
NCP81239通过RS1检测输入的峰值电流来进行正向过流保护，限流模式为逐波加打嗝模式。无论在降压模式还是在升压模式，在一个周期中检测到过流时，会立即关断Q1限制输入功率。如果逐波限流的时间达到2mS或FB电压低于300毫伏，则进入快速关断模式，同时关断4个开关，10 mS 后会重新软启动到原来设定的输出电压和电流。过流?；ぶ悼梢酝ü齀2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP1-CSN1的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流保护值如下表，默认值7.6 A。
 
表1：5 m检测电阻对应的峰值过流?；ぶ担ㄕ蚬鞅；ぃ?/div>
 
对4开关同步整流的升降压控制在轻载模式、重载到轻载的转换过程、输出过压?；ぁ⑹涑龃痈叩缪瓜虻偷缪沟髡讨谢嵊蟹聪虻缌鞑?。CSP2/CSN2用于反向电流的检测，当反向电流超过限流设定值时，如果输出电压在设定电压范围内，Q4会立即关断防止反方向电流继续增加。如果是在在降压模式下，Q2关断时Q4会重新导通。过流?；ぶ悼梢酝ü齀2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP2-CSN2的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流?；ぶ等缦卤?，默认值-8 A。
 
表2：5 m检测电阻对应的峰值过流?；ぶ担ǚ聪蚬鞅；ぃ?/div>
 
当输出电压高于设定值110%，时间超过一个开关周期，NCP81239会进入过压?；つＪ?。过压?；な保琒1关断，S2导通，S3和S4会交替导通将输出电压放电，同时防止反向电流超过设定的反向保护电流值。在输出过压故障下，开关频率会降到50KHz，防止电感饱和，同时降低功率管上的功耗。
 
图2：输出过压?；ね际?/div>
 
传统的同步整流控制在输出有预偏置电压时启动，输出会先放电然后上升。NCP81239在输出有预偏置时，启动时会工作在非同步整流模式，不会对输出放电，适合用于电池负载的场合。
 
输出电压在设定值+/-5%以内，延迟3.3mS后会发出Power Good 信号。如果输出电压超出设定值的+/-7 %超过一个开关周期，Power Good 寄存器复位，输出中断信号。
 
NCP81239支持4个I2C地址，可以根据客户的需要在芯片出厂前进行配置，默认型号的I2C地址为E8h/E9h。
 
此外，NCP81239自身有过热?；?，芯片结温超过150度，会关断外部的4个开关，温度降至125度后会重新启动。
 
总结
 
Type-C接口正在成为电子产品间互联的单一接口，大功率USB PD不同的电压和功率需要对输出电压进行调节。NCP81239 具有的特色功能和完善的?；すδ苁蛊浞浅Ｊ屎嫌糜谛枰淼缪故淙搿⒖傻鞯缪故涑龅母呖煽坑τ?，如USB PD和Quick Charge 以及电池充电，其独特的控制模式实现了高效的升降压转换，最高1.2MHz的工作频率可以实现小型化的设计。
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