使用整合式升降壓充電器，達到更快速的 USB 充電和更小型的通用充電解決方案

具備 USB 3.0 電力傳輸的 (PD) 鋰離子電池 (Li-ion) 和鋰聚合物 (Li-poly) 電池，並採用 On-The-Go (OTG) 充電技術的通用電池充電器，越來越廣泛運用於多種應用，包含無人機、智慧型手機、平板電腦、無線吸塵器、可攜式醫療裝置、無線揚聲器、電子銷售點裝置。針對這些應用，設計人員持續致力於降低充電時間和縮減尺寸、增加功率密度、降低成本。

升降壓電池充電器結合 USB PD 可以達到快速開發、高效率、通用輸入充電解決方案。但這些並不是簡單的裝置，且在設計上支援 USB OTG 規格可能會花費大量時間。不僅增加成本，還會影響設計排程。由於需要符合 USB 快速角色切換 (FRS) 計時和控制要素，以確保提供電力的裝置可以快速用電，確保不中斷的資料連接，因此設計流程可能會更加複雜。

在 USB PD 通用充電應用上，設計人員可以藉由轉用整合式充電器，讓設計流程順暢，並支援全功能和緊湊型升降壓充電解決方案的實作，在低零件數和高功率密度下提供高功率和高速充電，因應上述問題。

本文簡要說明基於 USB 3.0 和 USB Type-C® 的通用充電需求，以及實作升降壓通用輸入 USB OTG 和 FRS 解決方案的複雜性。接著會檢視使用整合式元件的優點，然後介紹 Texas Instruments 的整合式升降壓充電解決方案；此方案具備雙輸入選擇器和 USB PD 3.0 OTG 和 FRS 支援。也會介紹支援評估模組，協助設計人員開始使用下一個含 OTG 和 FRS 的通用輸入 USB PD 充電器。

通用和 OTG 充電和 FRS 的複雜性

藉由建立標準化連接器，USB Type-C 已協助開發通用 AC 電源配接器，並減少電子垃圾。標準化連接器只是一個要素。可攜式裝置的電池內含不同數量的電池芯，以及多種配接器功率額定值，電壓介於 5 至 20 V 之間。不同配接器額定值和電池電壓的組合會讓 USB PD 充電解決方案架構複雜且具挑戰性 (圖 1)。

圖 1：USB PD 充電解決方案的內部設計可能會很複雜，因為納入各種電池配置和配接器電壓。(圖片來源：Texas Instruments)

首先，USB PD 控制器 (U4) 必須辨識配接器，包含 USB 電池充電規格修正版 1.2 (USB BC1.2)、標準下游連接埠 (SDP)、充電下游連接埠 (CDP)、專用充電連接埠 (DCP)、高壓專用充電連接埠 (HVDCP)，甚至非標準配接器。隨著 USB PD 控制器和配接器的通訊，輸入功率路徑管理和電流感測單元 (U1) 轉而採用背對背功率 MOSFET，連接 VBUS 輸入電壓至升降壓充電器 (U2) 的輸入。輸入功率路徑管理單元也透過感測電阻感測輸入電壓和電流，支援過電壓和過電流保護。

升降壓充電器單元 (U2) 中有額外四個 MOSFET，用來為輸入電壓進行升壓或降壓，因應電池電壓需求。升降壓充電器的輸出需要另一個功率 MOSFET 和一個電流感測電阻，用來支援 USB PD 充電器窄電壓直流 (NVDC) 功率路徑管理和充電電流感測。

NVDC 功率路徑是專用的控制協定，以略高於電池電壓的電壓調節系統，且不允許電壓降到低於最小系統電壓。最小系統電壓是指即使在電池移除或完全放電時，允許系統運作的電壓位準。此外，如果系統功率需要超過輸入配接器額定值，電池供應模式會支援額外的系統功率需求，並且防止配接器過載。

OTG 功率和 FRS

為了支援 OTG 功率，圖 1 的 DC-DC 轉換器 (U3) 用來為電池放電，在 VBUS 提供調節電壓，以便依循 USB OTG 規格，在配接器移除時為外部裝置供電。若也需要 FRS，則必須啟用 DC-DC 轉換器並且持續保持為待機模式，即使有配接器透過 USB Type-C 連接埠連接至 VBUS 亦然。若配接器斷開，則開啟連接至 DC-DC 轉換器的背對背 MOSFET，並連接轉換器的輸出至保持 VBUS 和啟用 FRS。此方式的缺點在於維持 DC-DC 轉換器為待機狀態，會增加系統靜態電流損耗。

整合 1 至 4 芯升降壓充電器與 USB OTG 和 FRS

如上所述，設計通用 USB PD 充電解決方案支援 OTG 和 FRS 是一項複雜的任務。針對使用一至四芯鋰離子或鋰聚合物電池的應用，Texas Instruments 為設計人員提供 BQ25792RQMR 全整合式升降壓充電器，針對 USB Type-C 和 USB PD，支援完整輸入和輸出 OTG 電壓範圍，大幅簡化完整 USB PD 充電解決方案設計，涵蓋 FRS 支援 (圖 2)。選配雙輸入功率多工器控制器，可支援兩個不同的輸入電源：VIN1 的 USB Type-C 連接器和 VIN2 的一個輔助電源。

圖 2：BQ25792 全整合式升降壓充電器可簡化完整 USB PD 充電解決方案的設計。(圖片來源：Texas Instruments)

BQ25792 支援寬廣的輸入，包含：

• 3.6 至 24 V 輸入電壓範圍。
• 偵測 USB BC1.2、SDP、CDP、DCP、HVDCP，以及非標準配接器。
• 偵測未知輸入源的最大功率點。

BQ25792 包含整合式輸入電流感測，能讓充電器調節輸入電流並提供輸入過電流保護，避免讓配接器過載。此外，外部背對背功率 MOSFET 的控制和驅動器電路整合為輸入過電壓和過電流電路的一部份，替代圖 1 中輸入功率途徑管理和電流感測單元 (U1) 的功能。

圖 1 中，升降壓充電器單元 (U2) 四個 MOSFET 的整合，能讓 BQ25792 充電器支援 OTG 充電。有配接器時，此充電器以標準充電模式運作。若配接器斷開，功率會逆流，從電池流向 VBUS。BQ25792 相容於完整 USB PD 3.0 電壓範圍規格，從 2.8 至 22 V，能以 10 mV 步階編程。

支援 FRS 的新穎方式

可透過「備援模式」在 USB Type-C 連接埠支援 FRS，無須圖 1 中的 DC-DC 轉換器 (U3)。BQ25792 針對升降壓充電器部分，支援超快速切換，從前向充電模式到逆向 OTG 模式，不會讓匯流排電壓降到低於規格。

正常操作下，此配接器透過 VIN1 連接埠，連接至 BQ25792 為電池充電，同時透過 PMID 輸出為系統和任何受電配件提供電力。若配接器斷開，電池仍可提供電力至系統，但連接至 PMID 引腳的配件會失去電力。

使用備援模式，充電器會持續監測 VBUS 電壓。一旦 VBUS 降至低於閾值位準 (代表無配接器輸入)，充電器會快速從充電模式轉為 OTG 模式，接著為電池放電、調節 VBUS 電壓、實作 FRS，無須額外的 DC-DC 轉換器。BQ25792 在備援模式下實作 FRS 可確保任何連接至 PMID 引腳的配件在 VBUS 壓降時不會失去電力 (圖 3)。

圖 3：在 BQ25792 使用備援功率模式實作 FRS 可確保連接至 PMID 引腳的任何配件在 VBUS 壓降時不會失去電力。(圖片來源：Texas Instruments)

BQ25792 提供 1.5 MHz 或 750 kHz 切換頻率選項，確保設計人員能夠依照應用所需，在解決方案尺寸和效率之間權衡。使用 1.5 MHz 切換頻率可使用小型電感 (1 µH) 和電容值。使用 750 kHz 切換頻率可達到更高效率，但由於使用更大的電感 (2.2 µH) 和電容，解決方案會更大。

為延伸電池續航力和降低功率損耗，系統在閒置、運送或儲存時會關機。在「運送模式」下，I2C 仍為啟用，但充電器系統時脈會減慢以降低裝置靜態電流。在一般操作下，針對僅有電池的操作，靜態電流為 21 µA。在「運送模式」中，靜態電流降至 600 nA。

為協助設計人員開始使用 BQ25792，Texas Instruments 提供 BQ25792EVM 評估板 (EVB)，實作同步升降壓充電器，提供高達 5 A 的充電電流，以及 10 mA 的解析度至 1 至 4 芯。此評估板包含用來切換充電和 USB OTG 模式的介面。此外，使用者可以使用整合式類比數位轉換器 (ADC) 監測充電器狀態、電壓和電流，以及任何故障。

圖 4：BQ25792EVM 評估板可用於實作同步升降壓充電器，提供高達 5 A 的充電電流。(圖片來源：Texas Instruments)

此評估板的其他功能包含：

• USB 自動偵測、USB PD 和無線輸入，支援 3.6 至 24 V 的輸入
• 雙輸入源選擇器，驅動雙向阻擋 NFET
• USB OTG 以 10 mV 解析度驅動 2.8 至 22 V 輸出
• 關斷／運送模式下靜態電流低於 1 µA
• 多測試點、跳接線、感測電阻，支援電壓和電流量測

結論

如上所述，設計通用 USB PD 充電解決方案可能很複雜，且設計充電器支援 USB OTG 規格也會耗費大量時間。由於需要符合 USB 快速角色切換 (FRS) 計時和控制要素，因此設計流程可能會更加複雜。這可能會增加額外成本和必須妥協的設計排程。

為避免此情況，整合式升降壓充電器為可攜式裝置設計人員提供針對 USB PD、ITG 充電、順應 USB FRS 計時和控制要素所需的支援，並且降低鋰電池充電時間、達到更小的尺寸、增加功率密度、降低成本、加速上市。

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