为USB 3.1 Type-C供电装置选择降压转换器

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来源: eettaiwan   发布者:eettaiwan
热度32票   时间:2017年4月19日 20:50
本文讨论常时开启型(always-on)降压转换器的特性——这是来源元件与接收元件之间交握时的关键功能,以应答连接与协商传输功率。

新的USB 3.1 Type-C标准可望大幅简化电子产品的连接。该新标准旨在利用一根Type-C电缆,为功率高达100W的任意两个装置之间实现资料和电源传输。本文讨论常时开启型(always-on)降压转换器的特性——这是来源元件与接收元件之间交握时的关键功能,以应答连接与协商传输功率。

USB 3.1 Type-C标准

全新的USB 3.1 Type-C标准,可支援电子产品之间的高资料率传输与高功率供电。USB 3.1能实现10Gbps的传输速率,同时透过标准电缆提供高达3A电流,使用增强电缆时可提供5A电流。汇流排电压可调节到最高20V (使用标准电缆时:60W@3A;使用增强电缆时:100W@5A)。现在许多笔记型电脑的功率要求都小于100W,所以采用Type-C连接器的新机型能透过USB埠充电,这也是目前小型装置使用的充电方式。

因应USB 3.1 Type-C标准的复杂度,装置必须作为供电端(source)或受电端(sink)进行协商,然后才能传输电力。因此,Type-C电缆是“智慧”的,附加电路必须知道如何正确地供电和传输资料。Type-C电缆两端的连接器完全相同,才能允许反插插入;每个连接器也可以翻转,任何一面朝上时都可插入。Type-C USB电缆支援双向供电,所以同一装置既可对周边装置充电,也可对主机装置充电。这将有助于消除众多专用的电源配接器和多种类型的USB电缆,最终减少目前桌面上杂乱的电缆。

USB 3.1 Type-C系统

图1显示典型的笔记型电脑电源管理前端,可连接USB Type-C电缆,并由三个锂离子电池组成的电池组供电(提供7.2V至12.6V电源)。

图1:USB 3.1 Type-C电源管理系统

电源管理晶片(PMIC)由电池直接供电,而常时开启的降压转换器经由萧特基二极体接受电力,并可由电池或USB来源供电。相反地,常时开启的降压转换器可为埠控制器供电,该控制器负责主机系统微处理器(μP)和电源之间的电源交换仲裁。当连接USB时,降压充电器为电池充电。

为耗尽电池重新充电时,必须采取以下的步骤: 步骤1:电池耗尽 步骤2:连接USB Type-C电缆 步骤3:USB Type-C电缆侦测连接,并提供初始5V电压 步骤4:常时开启型转换器唤醒埠控制器并为其供电 步骤5:埠控制器协商功率要求(例如5A、20V) 步骤6:系统透过USB Type-C电缆接收所需的功率 步骤7:降压充电器启动电池充电

常时开启型转换器在所有环节都起着重要作用。甚至USB最初提供的输入电压相对较低(5V减去萧特基二极体压降)时,转换器也可提供3.3V输出。正常作业期间,电源具备随时充电的能力,强制接收端装置重新协商,所以降压转换器必须随时就绪。因此,所选择的常时开启型降压转换器应该尽可能地降低功耗。

常时开启型降压转换器

例如,Maxim Integrate的小尺寸、同步降压转换器MAX77596。该元件具有整合型开关(图3的T1和T2),在3.5V至24V输入电压下,提供高达300mA电流,零负载时的静态电流仅为1.1μA(固定输出版本)。此外,此元件可在接近压降下操作,运作工作周期为98%,因此非常适于电池供电应用。

该元件提供固定的3.3V和5V输出电压版本,以及可调节输出版本。可调节输出版本可让用户使用电阻分压器,在1V至10V之间调节输出电压。其频率固定于1.7MHz,从而可使用较小的外部被动元件以及降低输出纹波。晶片上功率电晶体开关确保更经济的元件成本清单。该元件具有强制脉冲宽度调变(PWM)和省略(skip)作业模式可选。

极低静态电流

对于常时开启型元件而言,由于元件必须保持从不关断,所以低静态电流至关重要。固定输出电压的MAX77596版本,允许绝大部份的内部电路从VOUT接脚进行偏置(图2中的IBIAS)。

图2:常时开启型降压转换器固定输出( 以MAX77596为例)

该方式仅从输入接脚汲取1.1μA (ISUP)剩余电流。图3所示为供电剩余电流ISUP的温度特性。

图3:零负载供电电流与温度的关系

这种巧妙的偏置配置,使得常时开启型降压转换器(如MAX77596)拥有最佳的低静态电流。

降压转换器实现高效率

低电阻、整合型MOSFET开关可在1.7Mz的较高作业频率时实现高效率。从图4的效率比较图显示,相较于竞争产品,MAX77596的效率更高出5%。

图4:效率比较

结语

USB 3.1 Type-C标准透过一根Type-C电缆,为更多装置提供更高功率。在供电装置(source)与受电装置(sink)之间进行交握的关键因素之一在于为埠控制器供电的常时开启型降压转换器。例如,MAX77596拥有最佳的低静态电流和高效率,可作为支援USB Type-C应用的理想选择。


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