开关降压升压转换器的USB供电设计介绍

USB已从供电有限的数据接口，发展为带有一个数据接口功能的重要供电部件。最新的USB 3.x协议支持更高水平的功率通量。默认电压为5V，USB-C端口能与插入的设备“协商”，将端口电压提高至20V。

USB Type-C也称为 USB-C，而为多种外围设备生成USB Type-C的充电电源，需要采用灵活的 DC/DC 变换器，它与控制器配合为相应设备提供所需的电压和电流。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，功耗也需要降至最低以最大限度地降低内热。而USB 电源的可编程电源 (PPS) 规范可以助力电源转换设备增加更多集成功能。

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。这种方案必须满足 PPS 规范中列出的电流和电压规范要求，同时仍支持全功能 USB Type-C产品。下述内容将涵盖设计的主要方面，包括组件选择、电路板布局以及如何利用可编程特性和设置进行功能优化。以 MPS提供的MPQ4272 升压/降压变换器和MPQ4230升降压变换器为例，我们将对器件操作进行分析，以优化开关频率和峰值电流，从而最大限度地减少功率传输损耗。本文还将介绍如何将 DC/DC 变换器与恰当的 USB PD 控制器配合应用，以提供完整的 PD 解决方案。

USB 可编程电源 (PPS) 规范要求

PPS 标准是 USB PD 规范(通过http://usb.org可获得)的一部分，主要侧重于促进电池快速充电。 PPS电源可以每10秒与受电设备交换一次数据，因此，根据USB电源受电设备设置的条件，电源可以动态调整输出电压和电流。PPS 功能允许对电压和电流小步逐步改变。而受电设备可以请求电源做出这些改变。这种电源控制是减少功率转换损耗的有效方法，当专用电池充电器增加了另一级转换损耗时，尤其有用。

锂离子电池充电的标准流程是从恒流充电状态开始的(在保持固定恒定电流的同时电池电压逐渐升高);然后在达到特定电压之后，变为恒压充电(在保持固定电压的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。

图1: 锂离子电池充电曲线

早期USB 规范允许固定5V 的电源电压。USB C PD 规范发展为包含其他更高的电压选项，但不包括步进电压变化。要为电池充电，最重要是有一个降压稳压充电器，这无疑增加了另一个会产生热量并降低效率的转换步骤。

PPS 标准允许USB C电源提供电压和电流控制，以便直接为电池充电，并减少功率损耗。PPS 电源能够以20mV的标称步长调整输出电压，并以50mA的步长用于电流限制。其电压输出范围为3.3V至21V。 这个范围与 USB 通信协议相结合，可为单节或多节电池电源提供智能充电解决方案。另外，有些应用因为与受电设备之间的电缆损耗而需要补偿到负载的 I-R 压降，增量电压控制也适用于这些应用。

USB电源解决方案

USB Type-C 电源的输出必须符合输出电压和电流的规范，但电源的输入可以具有多种特性，例如电压范围可宽可窄、功率能力可高可低。 为电源选择电源转换设备需要同时考虑输入源以及所需的输出功能，例如完整的USB Type-C 和PPS 功能。

由于电源的最大输出电压为 21V，超过 21V 的电源则需要使用降压(buck或step-down) DC/DC 变换器。许多应用都要求较低的电压，例如汽车的12V 电池需要使用升降压 DC/DC 变换器将输入电压转换为更高和更低的输出电压。相比有四个开关的升降压变换器，只有两个电源开关的降压变换器更具成本效益，尽管升降压变换器用途更广。本文将对这两种方案均进行说明(参见图 2)。

图2: USB电源解决方案

一个完整的 USB Type-C 解决方案需要一个电源转换组件和一个 USB PD 控制器。 控制器完成与功率接收设备之间必要的握手，然后将正确的设置信息传送到 DC/DC 变换器，以确保将电力输送到 USB 端口。 下面的讨论将以带控制器的 DC/DC 变换器为例。

新供电要求中的一项独特挑战是如何使用一个4.5V-32V输入电压来提供一个5V-20V直流总线。一个4开关降压-升压转换器是合适的拓扑结构，提供降压或升压电源转换，因其可提供设计人员和客户所需的宽电压转换范围、正极性、高能效和小尺寸方案。安森美半导体用于USB供电和USB-C应用的NCP81239 4开关降压-升压控制器可以驱动4个开关，使转换器能够降压或升压，并支持用户满足USB供电(PD)规格，该规格适用于所有USB PD应用，如PC /笔记本电脑、移动电源和扩展口。

在同步降压转换器中，有个现象众所周知，它称为“低端误导通”或“dv/dt电感导通”，这是造成击穿的罪魁祸首，有可能损坏开关并降低整个转换器的可靠性。

然后，这一问题在4开关降压-升压转换器中翻了一番，因为它有两个阶段——降压和升压。当设计人员直接将降压转换器的电路参数复制到4开关降压-升压转换器的升压段时，就会产生错误。随着这种拓扑结构在应用中越来越受欢迎，了解dv/dt电感导通问题变得越来越重要。

在4开关降压-升压转换器中，dv/dt电感导通是由同步整流MOSFET在降压段和升压段快速升高的漏源电压引起的。由于不需要的击穿电流流过任一相桥臂，结果导致整个系统能效下降。电源设计人员可采用几种经济的电路方案，包括最小化整流开关的关断门极驱动电阻，增加有源开关的导通门极驱动电阻，或在开关节点加入RC缓冲电路。选择具有低Qgd/Qgs(th)比率和高阈值电压的MOSFET也可降低dv/dt电感误导通的可能性。