安森美半導(dǎo)體的最新電源控制器NCP81239是USB Type-C和QC 3.0的理想選擇
隨著電腦,、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品的普及,，電子設(shè)備間通過互聯(lián)來傳輸數(shù)據(jù)以及快速充電的應(yīng)用越來越多,，這就使USB Type-C和Quick Charge（QC）成為市場發(fā)展的新趨勢,。USB Type-C接口的目標(biāo)是將不同電子設(shè)備之間的互聯(lián)采用統(tǒng)一的接口，同時(shí)可以提供電源和傳輸數(shù)據(jù),，也支持音視頻和客戶個(gè)性化的通信協(xié)議,。而Quick Charge是通過提升輸出電壓來降低電纜和接頭上的損耗以增大輸出功率，并通過USB 信號線D+,、D-的不同狀態(tài)來設(shè)定輸出電壓,。
因此，要想滿足USB Type-C和Quick Charge這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，就需要一款能夠根據(jù)用電設(shè)備的要求進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的電源控制器,。安森美半導(dǎo)體的單電感H橋升降壓電源控制器 NCP81239就是非常理想的選擇,。它可以適配寬輸入電壓范圍和寬輸出電壓范圍，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器(MCU)配合進(jìn)行輸出電壓的步進(jìn)調(diào)整,，且可在同一個(gè)Type-C端口實(shí)現(xiàn)多種快充協(xié)議,，還能對接蘋果Lighting 接口快充協(xié)議、三星接口快充協(xié)議等等,。
NCP81239的功能特性及工作原理
NCP81239支持寬輸入電壓范圍,，提供從150 kHz至1.2 MHz動(dòng)態(tài)可編程的開關(guān)頻率，集成4個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng),，采用雙沿電流模式控制,，支持輸出預(yù)偏置啟動(dòng)，自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制防止直通,，具有獨(dú)立的輸入和輸出電流檢測,，輸出電壓(范圍0至20V)可以通過I2C 編程，集成過壓,、欠壓,、過流和精確的過載保護(hù)等完善的保護(hù)功能，同時(shí)還提供對5 V Vconn電源的保護(hù),。
圖2：NCP81239典型應(yīng)用電路圖
NCP81239采用雙沿電流模式升降壓控制,，可實(shí)現(xiàn)降壓模式到升壓模式的無縫切換。I?C接口僅用兩條信號線實(shí)現(xiàn)雙向串行通信,，開漏極的連接可以方便的在不同邏輯電平間接口,，兼容1.8 V，2.5 V,，3.3 V和5 V邏輯電平的MCU,。
輸入輸出電流可以通過高邊的檢測電阻進(jìn)行檢測，檢測到的電壓分為內(nèi)部和外部兩個(gè)通道：內(nèi)部電流信號用于電流模式的環(huán)路控制和限流保護(hù),，過流保護(hù)可以通過內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置或屏蔽,，內(nèi)部固定增益為10倍，內(nèi)部電流值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)存入對應(yīng)的寄存器,，可以通過I2C讀?。煌獠侩娏餍盘柨梢员籑CU讀取執(zhí)行相應(yīng)的軟件操作,，外部的阻抗可以設(shè)定電流測量的量程,，電流檢測運(yùn)放跨導(dǎo)為5mS，外部也可以接電阻電容將電流信號濾成平均值,。
NCP81239內(nèi)置4通道7位ADC,，可實(shí)現(xiàn)輸入、輸出之間的A/D轉(zhuǎn)換,，相應(yīng)的值可通過I2C讀取內(nèi)部寄存器的方式進(jìn)行讀取,。內(nèi)部的反饋參考電壓通過9位的DAC進(jìn)行設(shè)定,，參考電壓范圍為0 V到2.55 V，輸出電壓范圍同時(shí)可以通過外部的分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)定,。由于內(nèi)部步長有9位ADC,，步長比較小，所以便于用MCU I2C接口進(jìn)行設(shè)定補(bǔ)償電纜壓降,，從而使負(fù)載端電壓可保持在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)，非常適合QC3.0 或USB PD等需要調(diào)壓的場合,。
在USB PD,、QC2.0、QC3.0等規(guī)格下,，如需對輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)定,，會(huì)涉及到調(diào)壓速率。如果調(diào)壓速度過快會(huì)導(dǎo)致電感電流過沖,，輸出電壓過沖或下沖,。NCP81239內(nèi)置寄存器，可通過I2C接口設(shè)置,，從而控制調(diào)壓時(shí)電壓上升和下降的斜率,。
NCP81239通過RS1檢測輸入的峰值電流來進(jìn)行正向過流保護(hù)，限流模式為逐波加打嗝模式,。無論在降壓模式還是在升壓模式,，在一個(gè)周期中檢測到過流時(shí)，會(huì)立即關(guān)斷Q1限制輸入功率,。如果逐波限流的時(shí)間達(dá)到2mS或FB電壓低于300毫伏,，則進(jìn)入快速關(guān)斷模式，同時(shí)關(guān)斷4個(gè)開關(guān),，10 mS 后會(huì)重新軟啟動(dòng)到原來設(shè)定的輸出電壓和電流,。過流保護(hù)值可以通過I2C或電流檢測電阻進(jìn)行設(shè)定，電流檢測電阻的選擇要保證CSP1-CSN1的電壓在過流時(shí)也不要超過100mV的運(yùn)放差模電壓范圍,。如果采用5毫歐檢測電阻,，對應(yīng)的峰值過流保護(hù)值如下表，默認(rèn)值7.6 A,。
表1：5 m?檢測電阻對應(yīng)的峰值過流保護(hù)值(正向過流保護(hù))
對4開關(guān)同步整流的升降壓控制在輕載模式,、重載到輕載的轉(zhuǎn)換過程、輸出過壓保護(hù),、輸出從高電壓向低電壓調(diào)整過程中會(huì)有反向電流產(chǎn)生,。CSP2/CSN2用于反向電流的檢測，當(dāng)反向電流超過限流設(shè)定值時(shí),，如果輸出電壓在設(shè)定電壓范圍內(nèi),，Q4會(huì)立即關(guān)斷防止反方向電流繼續(xù)增加,。如果是在在降壓模式下，Q2關(guān)斷時(shí)Q4會(huì)重新導(dǎo)通,。過流保護(hù)值可以通過I2C或電流檢測電阻進(jìn)行設(shè)定,，電流檢測電阻的選擇要保證CSP2-CSN2的電壓在過流時(shí)也不要超過100mV的運(yùn)放差模電壓范圍。如果采用5毫歐檢測電阻,，對應(yīng)的峰值過流保護(hù)值如下表,，默認(rèn)值-8 A。
表2：5 m?檢測電阻對應(yīng)的峰值過流保護(hù)值(反向過流保護(hù))
當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值110%,，時(shí)間超過一個(gè)開關(guān)周期,，NCP81239會(huì)進(jìn)入過壓保護(hù)模式。過壓保護(hù)時(shí),，S1關(guān)斷,，S2導(dǎo)通，S3和S4會(huì)交替導(dǎo)通將輸出電壓放電,，同時(shí)防止反向電流超過設(shè)定的反向保護(hù)電流值,。在輸出過壓故障下，開關(guān)頻率會(huì)降到50KHz,，防止電感飽和,，同時(shí)降低功率管上的功耗。
圖3：輸出過壓保護(hù)圖示
傳統(tǒng)的同步整流控制在輸出有預(yù)偏置電壓時(shí)啟動(dòng),，輸出會(huì)先放電然后上升,。NCP81239在輸出有預(yù)偏置時(shí)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)工作在非同步整流模式,，不會(huì)對輸出放電,，適合用于電池負(fù)載的場合。
輸出電壓在設(shè)定值+/-5%以內(nèi),，延遲3.3mS后會(huì)發(fā)出Power Good 信號,。如果輸出電壓超出設(shè)定值的+/-7 %超過一個(gè)開關(guān)周期，Power Good 寄存器復(fù)位,，輸出中斷信號,。
NCP81239支持4個(gè)I2C地址，可以根據(jù)客戶的需要在芯片出廠前進(jìn)行配置,，默認(rèn)型號的I2C地址為E8h/E9h,。
此外，NCP81239自身有過熱保護(hù),，芯片結(jié)溫超過150度,，會(huì)關(guān)斷外部的4個(gè)開關(guān)，溫度降至125度后會(huì)重新啟動(dòng)。
參考設(shè)計(jì)
安森美半導(dǎo)體提供采用NCP81239的60 W車充,、筆記本電腦外接擴(kuò)展塢,、臺式機(jī)應(yīng)用、具有Type-C接口的插線板等參考設(shè)計(jì),，可實(shí)現(xiàn)小體積,、高能效，滿足在USB PD和Quick Charge規(guī)格下的不同應(yīng)用需求,。
總結(jié)
Type-C接口正在成為電子產(chǎn)品間互聯(lián)的單一接口,，大功率USB PD不同的電壓和功率需要對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。安森美半導(dǎo)體的NCP81239 具有的特色功能和完善的保護(hù)功能使其非常適合用于需要寬電壓輸入,、可調(diào)電壓輸出的高可靠應(yīng)用,，如USB PD和Quick Charge 以及電池充電，其獨(dú)特的控制模式實(shí)現(xiàn)了高效的升降壓轉(zhuǎn)換,，最高1.2MHz的工作頻率可以實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì),。