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用于可编程电源的充电IC的直流交流充电

为多个外设生成USB Type-C(也称为USB-C)充电电源需要一个灵活的DC-DC转换器,该转换器可以与控制器配合使用,为相应的设备提供所需的电压和电流能力。随着功率密度的增加,特别是在多电源端口或集线器应用中,效率变得至关重要,并且需要最低的功率损耗以最大限度地减少内部热量。用于 USB 电源的可编程电源 (PPS) 规范为电源转换设备集成增加了更多功能。

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。该系统必须满足PPS规范中列出的电流和电压法规的要求,同时仍支持功能齐全的USB Type-C产品。它将涵盖设计的主要方面,包括元件选择、电路板布局以及利用可编程特性和设置进行功能优化。


USB PPS规范要求

PPS标准是USB PD规范(usb.org)的一部分,主要侧重于促进电池的快速充电。PPS电源可以每10秒与用电设备交换一次数据。因此,电源能够根据接收USB电源的设备设置的条件动态调整输出电压和电流。

PPS功能允许对电压和电流进行微小的逐步变化。接收受电设备可以请求源进行这些更改。这种电源控制是降低功率转换损耗的有效方法,当专用电池充电IC增加另一级转换损耗时,此功能尤其有用。

锂离子电池充电的标准过程从恒流充电状态开始(在电池电压逐渐升高的同时保持固定的恒流)。然后在达到特定电压后,充电变为恒定电压(保持固定电压,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。

 

锂离子四个充电阶段

1. 锂离子充电配置文件有四个充电阶段:涓流充电、恒流充电、恒压充电和充满电

 

早期的USB规格允许固定的5V电源电压。USB-C PD规范已经发展到包括其他更高电压选项,但它们不包括阶梯电压变化。为电池充电的主要方法需要降压稳压器充电IC,这增加了另一个产生热量并降低效率的转换步骤。

PPS标准允许USB-C电源为直接电池充电提供电压和电流控制,并减少功率损耗。PPS电源的标称步长为输出电压为20mV,限流时为50mA。电压范围包括最小3.3V和最大2V。

这些范围与USB通信协议相结合,为单节或多节电池电源提供了智能充电解决方案。增量电压控制还适用于需要补偿负载I-R压降的应用。

 

USB电源解决方案

USB Type-C源的输出必须符合输出电压和电流规格。但是,源的输入可以具有多种特性,例如宽或窄的电压范围,以及从低功率到高功率的能力。为电源选择电源转换设备需要考虑该输入源,以及所需的输出功能,如完整的USB Type-C和PPS功能。

由于来自电源的最大输出电压为21V,因此超过21V的电源需要使用降压(也称为降压)DC-DC转换器。许多应用仅限于较低电压,例如汽车12V电池,这需要使用降压-升压DC-DC转换器将输入电压转换为更高和更低的输出电压。降压转换器通常更具成本效益,因为只有两个电源开关,而降压-升压转换器只有四个,尽管降压-升压转换器的用途要广泛得多。图2显示了这两种解决方案,本文将对此进行探讨。

 

两种标准的USB电源解决方案

2. 有两种标准的USB电源解决方案:降压转换器(A),或升压转换器和降压-升压转换器(B),可以同时用作升压和降压转换器

 

完整的USB Type-C解决方案需要电源转换组件和USB PD控制器。控制器与接收电源接收器设备执行必要的握手,然后将正确的设置信息传达给DC-DC转换器,以确保将电源输送到USB端口。稍后将DC-DC转换器与控制器结合使用的示例。


交流充电与直流充电 – 有什么区别


对于许多人来说,这并不重要。DC更快,这就是他们需要知道的。但对于好奇的人来说,这是对AC和DC充电之间差异的简化解释。技术细节在这里被故意掩盖。

我们有两种类型的充电的原因是有两种“类型”的电,交流和直流;因此,我们将从讨论它们开始。

 

交流与直流

直流电是你可能在7年级科学中尝试过的简单正负电类型。一个关键的优点是它很容易存储在电池中。这就是为什么便携式电子产品 - 手电筒,手机,笔记本电脑 - 使用直流电源;他们必须存储它。插电式车辆是便携式的,因此它们也使用直流电池(尽管其中大多数都有交流电机 - 我们可能会在另一天考虑这一复杂步骤)。

交流电有点复杂,因为它来回切换,但一个关键的优点是它可以经济地长距离传输。这就是为什么交流电源通过电源线进入您的家,并且是电源插座上可用的电源。直接从插座用电的固定电器-灯具,冰箱,洗衣机-使用交流电源。

由于电网提供交流电,因此当您要为便携式设备充电时,必须将电转换为直流电。此转换由“整流器”完成。从墙壁电源充电的便携式电子设备都有一个:它通常位于充电线的黑匣子中,以及我们将忽略的其他一些组件。您会注意到,设备使用的功率越多,该框就越大。了解交流充电与直流充电的关键是了解盒子在哪里以及为什么。

 

图片中的转换

这是适用于我的平板电脑的直流充电解决方案。它只是一根USB电缆,允许我的平板电脑从汽车或笔记本电脑中的DC USB端口充电。两端都有直流电,因此不需要转换。

直流充电线

直流充电线

 

现在,这是我的平板电脑的交流充电解决方案。相同的USB电缆插入插入一个小黑匣子,该黑匣子插入交流电源插座 - 该盒将AC转换为DC。

 

交流转换器到直流电缆

交流转换器到直流电缆

 

这是一个简化的图表(你能看出我没有上艺术课吗?)交流和直流充电如何与插电式车辆一起工作:

 

交流和直流充电路径

交流和直流充电路径

 

当您插入交流电源时 - 无论您是插入120V还是240V插座,还是使用J1772充电设备 - 您的汽车都会将电源转换为直流电。

当您使用直流充电站时 - CHAdeMO和增压器是有效使用的品种,CCS即将推出 - 功率由充电站转换,因此直流电直接进入您的电池(不是真的,但足够接近本讨论)。

请注意,在这两种情况下,电源都以交流方式开始,最终以直流方式结束。“交流充电”和“直流充电”之间唯一的质的区别是转换是在进入汽车之前还是之后完成的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-07-26 15:46