如何为USB Type-C和QC 3.0 选择合适的电源控制器

寂静回声

随着电脑、手机、数码相机等电子产品的普及，电子设备间通过互联来传输数据以及快速充电的应用越来越多，这就使USB Type-C和Quick Charge（QC）成为市场发展的新趋势。USB Type-C接口的目标是将不同电子设备之间的互联采用统一的接口，同时可以提供电源和传输数据，也支持音视频和客户个性化的通信协议。而Quick Charge是通过提升输出电压来降低电缆和接头上的损耗以增大输出功率，并通过USB 信号线D+、D-的不同状态来设定输出电压。

因此，要想满足USB Type-C和Quick Charge这两个标准，就需要一款能够根据用电设备的要求进行电压调节的电源控制器。安森美半导体的单电感H桥升降压电源控制器 NCP81239就是非常理想的选择。它可以适配宽输入电压范围和宽输出电压范围，芯片集成的I2C接口可和外部的微控制器(MCU)配合进行输出电压的步进调整，且可在同一个Type-C端口实现多种快充协议，还能对接苹果Lighting 接口快充协议、三星接口快充协议等等。

NCP81239的功能特性及工作原理

NCP81239支持宽输入电压范围，提供从150 kHz至1.2 MHz动态可编程的开关频率，集成4个MOSFET驱动，采用双沿电流模式控制，支持输出预偏置启动，自适应死区时间控制防止直通，具有独立的输入和输出电流检测，输出电压(范围0至20V)可以通过I2C 编程，集成过压、欠压、过流和精确的过载保护等完善的保护功能，同时还提供对5 V Vconn电源的保护。



图：NCP81239典型应用电路图

NCP81239采用双沿电流模式升降压控制，可实现降压模式到升压模式的无缝切换。I²C接口仅用两条信号线实现双向串行通信，开漏极的连接可以方便的在不同逻辑电平间接口，兼容1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V逻辑电平的MCU。
输入输出电流可以通过高边的检测电阻进行检测，检测到的电压分为内部和外部两个通道：内部电流信号用于电流模式的环路控制和限流保护，过流保护可以通过内部寄存器进行设置或屏蔽，内部固定增益为10倍，内部电流值通过模数转换器(ADC)存入对应的寄存器，可以通过I2C读取；外部电流信号可以被MCU读取执行相应的软件操作，外部的阻抗可以设定电流测量的量程，电流检测运放跨导为5mS，外部也可以接电阻电容将电流信号滤成平均值。

NCP81239内置4通道7位ADC，可实现输入、输出之间的A/D转换，相应的值可通过I2C读取内部寄存器的方式进行读取。内部的反馈参考电压通过9位的DAC进行设定，参考电压范围为0 V到2.55 V，输出电压范围同时可以通过外部的分压网络进行设定。由于内部步长有9位ADC，步长比较小，所以便于用MCU I2C接口进行设定补偿电缆压降，从而使负载端电压可保持在设定值的误差范围内，非常适合QC3.0 或USB PD等需要调压的场合。

在USB PD、QC2.0、QC3.0等规格下，如需对输出电压进行动态的设定，会涉及到调压速率。如果调压速度过快会导致电感电流过冲，输出电压过冲或下冲。NCP81239内置寄存器，可通过I2C接口设置，从而控制调压时电压上升和下降的斜率。

NCP81239通过RS1检测输入的峰值电流来进行正向过流保护，限流模式为逐波加打嗝模式。无论在降压模式还是在升压模式，在一个周期中检测到过流时，会立即关断Q1限制输入功率。如果逐波限流的时间达到2mS或FB电压低于300毫伏，则进入快速关断模式，同时关断4个开关，10 mS后会重新软启动到原来设定的输出电压和电流。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP1-CSN1的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流保护值如下表，默认值7.6 A。

1	1	0	0	0
CLIP_1	CLIP_0	CLIM delta Value (mV)	CSP1-CSN1 (mV)	Current at RSENSE = 5mΩ(A)
0	0	380	38 (Default)	7.6
0	1	230	23	4.6
1	0	110	11	2.2
1	1	700	70	14

表1：5 mΩ检测电阻对应的峰值过流保护值(正向过流保护)

对4开关同步整流的升降压控制在轻载模式、重载到轻载的转换过程、输出过压保护、输出从高电压向低电压调整过程中会有反向电流产生。CSP2/CSN2用于反向电流的检测，当反向电流超过限流设定值时，如果输出电压在设定电压范围内，Q4会立即关断防止反方向电流继续增加。如果是在在降压模式下，Q2关断时Q4会重新导通。过流保护值可以通过I2C或电流检测电阻进行设定，电流检测电阻的选择要保证CSP2-CSN2的电压在过流时也不要超过100mV的运放差模电压范围。如果采用5毫欧检测电阻，对应的峰值过流保护值如下表，默认值-8 A。

CLIN_1	CLIN_0	CLIM delta Value (mV)	CSP2-CSN2 (mV)	Current at RSENSE = 5mΩ(A)
0	0	-400	-40 (Default)	-8
0	1	-250	-25	-5
1	0	-150	-15	-3

表2：5 mΩ检测电阻对应的峰值过流保护值(反向过流保护)

当输出电压高于设定值110%，时间超过一个开关周期，NCP81239会进入过压保护模式。过压保护时，S1关断，S2导通，S3和S4会交替导通将输出电压放电，同时防止反向电流超过设定的反向保护电流值。在输出过压故障下，开关频率会降到50KHz，防止电感饱和，同时降低功率管上的功耗。



图：输出过压保护图示

传统的同步整流控制在输出有预偏置电压时启动，输出会先放电然后上升。NCP81239在输出有预偏置时，启动时会工作在非同步整流模式，不会对输出放电，适合用于电池负载的场合。

输出电压在设定值+/-5%以内，延迟3.3mS后会发出Power Good 信号。如果输出电压超出设定值的+/-7 %超过一个开关周期，Power Good 寄存器复位，输出中断信号。

NCP81239支持4个I2C地址，可以根据客户的需要在芯片出厂前进行配置，默认型号的I2C地址为E8h/E9h。

此外，NCP81239自身有过热保护，芯片结温超过150度，会关断外部的4个开关，温度降至125度后会重新启动。

参考设计

安森美半导体提供采用NCP81239的60 W车充、笔记本电脑外接扩展坞、台式机应用、具有Type-C接口的插线板等参考设计，可实现小体积、高能效，满足在USB PD和Quick Charge规格下的不同应用需求。