USB-C应用新架构详解

USB－C接口正在彻底改变电子设备的充电方式。USB－C连接线无论哪一端都能连接智能手机或超级本。物理上，C型连接器既是双向的（无论线缆的哪一端都能插入两头的设备），也是无极性的（连接器插入时可以正面朝上，也可以反面朝上）。在协商过程中，连接系统可以电子地分辨出电极性。除了数据传输，USB－C还能支持更高功率水平的双向功率传输。默认电压为5V，USB－C端口能够与插入的设备协商，在双方同意的电流水平上，将端口电压提高到20V，或双方同意的其他电压值。USB－C端口提供的极大功率为100W（20V／5A），这用来给笔记本电脑充电已经绰绰有余了。优势如此明显，也就不难理解为什么电子设备制造商纷纷在其下一代产品中采用USB－C了。

随着USB PD和USB－C得到越来越多的采用，计算机行业对稳压器的性能提出了明显更高的要求。与电压值固定的传统USB－A和USB－B端口相比，USB－C端口是双向的，接受可变输入电压，输出电压范围为5V至20V。其可调节输出电压允许笔记本电脑和其他移动设备用USB－C端口替代传统AC／DC电源适配器和USB－A和B端子。考虑到这些优势，一些客户在其系统中设计了两个或多个USB－C端口。

不过，目前具有两个或多个USB－C端口的系统架构很复杂，不能满足很多客户的要求。本白皮书提出了一种全新的系统架构，该架构采用Intersil的ISL95338减压－升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器。我们将讨论这种架构如何简化设计，并大力支持所有USB－C功能。我们还将说明这种架构如何应用到适配器端，以实现可编程电源（PPS），这种电源可以输出可调节电压，以匹配USB－C的可变输入电压。

要实现与Intersil电池充电器架构相同的功能和性能水平，市场上现有的电池充电器架构需要更多器件和复杂的外部电路。显然，使用现有的电池充电系统，每个充电器通路都需要一个USB－PD控制器来控制2个ASGATE并执行充电功能，这提高了设计的系统成本。为了实现5V减压OTG，OTG门还需要一个PD控制器。注意，现有的减压转换器只能输出单一固定电压。图2显示，如果使用5V减压转换器，设计工程师只能输出一个固定5V电压，这与很多USB－C应用要求的可调5V－20V OTG输出电压不匹配。

本文提出的Intersil架构克服了所有这些缺点。图1显示，两个ISL95338并联，将两个USB－C端口连接到ISL95521A电池充电器。简化了系统架构，为客户节省了大量成本，因为去掉了不少元件，包括各个PD控制器、ASGATE和OTG GATE。极为重要的是，使用了更少的元件但并未降低性能。例如，如果电池需要充电，那么就直接从USB－C输入向ISL95521A供电。此外，将两个ISL95338并联，可为客户应用提供更多选择。

例如，可以采用具有不同额定功率的两个USB－C输入来实现大功率电池充电，这意味着，电池充电功率高于单个USB－C输入功率。图1说明了这是如何实现的：在电压回路中放置一个ISL95338（设定为较高额定功率的USB－C）为ISL95521A输入提供恒定电压（V0），另外在电流回路中放置一个ISL95338（设定为较低额定功率的USB－C），自动为ISL95521A提供极大功率。换言之，无需增加额外的电路或逻辑来决定两个并联的ISL95338减压－升压稳压器的不同额定功率。

可以基于不同的额定功率自动选择ISL95338内部的控制回路，来充分利用输入电源。针对OTG功能，电池电源可通过二极管提供，用ISL95338将功率传输至USB－C输出。从而不再需要5V减压和OTG门，如图2所示。此外，通过在两个ISL95338、ISL95521A和PD控制器之间使用S嗯母Bus通信，OTG电压可以调节，而不是使用固定值。图3显示了一种大功率快速充电应用，其中，新的Intersil电池充电架构可以进行扩展，可以将4个ISL95338与一个ISL95521A或ISL9238电池充电器并联。每个USB－C端口都可以作为汇（sink）或源（source）单独运行。该架构还可以将传统适配器作为电源结合到系统中，而不提高物料成本。

可编程电源解决方案

在传统的USB－A和USB－B应用中，输入电压是固定值，这给USB－C应用带来了新的挑战，因为USB－C端口还可以接受可变输入电压。解决办法是可编程电源（PPS）功能，这种功能允许电源的输出电压和电流以20mV／50mA步进编程和调节，以优化电源通路。如图4所示，ISL95338减压－升压稳压器非常适合用于实现PPS，因为该稳压器可以利用USB－PD控制器的S嗯母Bus通信，输出可调的双向电压。

结论

将ISL95338用在多端口USB－C电池充电系统中，可实现一种新的、易于使用的充电架构。与现有的充电架构相比，Intersil的新架构能够以低很多的成本实现，而且提供更高的性能、更快速的充电和更长的电池寿命。此外，所有USB－C端口要求都能完全满足，包括能实现PPS，这是未来应用需要增加的关键USB功能之一。