解密USB-C升压-降压电池充电

摘要：本文分析了传统PC电源架构，描述了随着可反转USB Type-CTM线缆连接器的USB-C输电的广泛应用，PC电源架构将发生较大的变化。通过探讨不同的电池充电方法，解释了USB-C升压-降压充电拓扑如何才能提供设计工程师要求的灵活性、高效率和小解决方案尺寸。

　　苹果公司2015年4月10日推出新的MacBook，开启了计算设备电源管理的新时代。新型MacBook有一个USB-C™端口——真正的全合一端口，能够同时双向传输数据和电力。这项技术通过将充电功能集成到USB-C端口，取消了MacBook的MagSafe充电端口。

　　现在，随着第6代英特尔酷睿处理器的发布，新一代超级本、平板电脑、二合一本及外部设备都准备搭上USB-C充电的快车。然而，采用USB-C充电要求从根本上改变现有输电架构，向系统设计工程师提出了新的挑战。

传统计算设备供电方法

　　通过USB-A/B端口给电子设备充电的方法广泛应用于低功率应用，如智能手机和平板电脑。传统USB-A/B端口能够提供5V电源电压，最大电流为2A。但该功率水平不足以为高功率设备充电，此类设备通常使用额定功率为几十瓦的AC(交流)电源适配器进行充电。

　　目前典型的计算设备电源架构如图1所示。其中包括一个AC电源适配器，用于将AC电压转换为DC(直流)电压，并使用20V电压为主电子设备充电，在本例中主电子设备为超极本电脑。超极本可使用从1单元电池到4单元电池的不同电池组。从放电状态到充满状态，每个锂离子电池的典型工作电压范围为2.5V～4.3V。因此，超级本的电池电压范围为2.5V～17.2V。

　　在使用20V DC电源适配器的情况下，电池充电器会使用所谓的降压拓扑将20V DC步降至电池充电电压。超极本的5V USB-A/B端口能够为USB外设充电，如智能手机或平板电脑。为在USB-A/B端口中产生5V电压，超极本使用类似的降压拓扑从其内部2、3或4单元电池组产生5V USB电源轨，或者在具有1单元电池组情况下使用升压拓扑。

转向支持大功率充电的USB-C方案

　　USB-C正在改变电子设备的充电方式。它是一种可连接任何设备的标准接口。除数据传输外，USB-C还支持以较大电流进行双向输电。在默认5V电压情况下，USB-C端口能够与插入设备“协商”，并在双方商定的电流水平下，将端口电压升高到12V、20V或另一种双方商定的电压。USB-C端口能够提供的最大功率为100W(20V×5A)，这为一台电脑充电绰绰有余了，更何况大多数15英寸超极本只需要约60W功率。因此，不难理解为何电子设备制造商纷纷为其下一代产品配备USB-C端口，其中苹果公司抢先在2015年推出的MacBook上采用了该技术。

　　通过转向USB-C充电，传统电源架构也需要随着移动系统制造商转向USB-C端口而改变。图2显示了USB-C端口如何能够连接任意设备。电压范围为5V～20V 的USB-C电源适配器能够为主电子设备充电，如使用1、2、3或4单元电池组的超极本。这些主电子设备还能为外部电子设备充电，如平板电脑、智能手机、移动电源等。

不同的USB-C电池充电方案

　　新输电架构的独特挑战是如何使用5V～20V电源适配器为2.5V～17.2V电池充电，这是因为不存在明确的“输入至输出”和“输出至输入”的关系，前一情况下需要降压拓扑，后一情况下需要升压拓扑。

　　图3显示了一种基于预升压概念的方案。该方案将USB电源适配器的电压升高至大于最大USB适配器电压的水平，如25V，然后使用降压充电器为电池充电。该方案需要一个额外的升压转换器，这会增加解决方案的成本和尺寸，并由于在预升压级额外损耗功率而降低总体效率。

　　图4显示了一种基于降压充电器或升压充电器概念的方案。该方案从USB电源适配器获得电压，并根据输入/输出电压关系使用降压充电器或升压充电器。虽然该方案消除了预升压方案的额外功率损耗，但其仍然需要一个额外的升压充电器，这也会增加解决方案尺寸和成本。

　　图5所示为升压-降压拓扑方案。升压-降压拓扑能够在存在“输入至输出”关系时，在降压模式下工作，在存在“输出至输入”关系时，在升压模式下工作，或者在存在双向“输入≈输出”关系时，在升压-降压模式下工作。这种灵活性有助于实现具有最小解决方案尺寸和最佳总体效率的更佳设计。这种方案可满足系统设计工程师的要求。

　　市场上首款USB-C升压-降压电池充电解决方案是Intersil ISL9237。图6显示了ISL9237升压-降压充电器的拓扑。该器件由四个开关FET、一个电感以及电池连接FET(BEFT)组成。四个开关FET分成两组：正向降压端口和正向升压端口。通过运行其中任一端口，该拓扑可在正向降压模式或正向升压模式下工作，为电池充电。另外，它还能在反向降压模式下工作，通过USB端口为外部电子设备供电，例如平板电脑、智能手机或能够为任何设备充电的新兴便携式移动电源。

　　ISL9237提供了丰富的功能特性，并且是一种能够与SMBus主机通信的SMBus充电器。它符合USB 3.1规范和最新的英特尔IMVP8 PROCHOT#和PSYS要求，具备针对电池压降、适配器过流、电池过流及过热的保护功能。ISL9237提供两级适配器电流限制功能，完全支持对电流限值和持续时间进行编程，以利用适配器的浪涌电流承受能力。另外它还支持外部移动电源及任何旅行电源适配器，包括那些未公布其电流处理能力的产品。

结论

　　由于ISL9237 USB-C升压-降压电池充电器的出现，移动PC系统和其他便携式设备现在能够采用基于可反转USB Type-C连接器的最佳双向输电技术。USB-C简化了计算机和外部电子设备双向传输电力与数据的方式。USB-C生态系统正在迎来一个全新的未来，到时任何设备只需一根细小的线缆即可实现传输数据和供电。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。