進(jìn)入主題之前，先介紹一張原理圖及其涉及到的器件，我們的主題也將以其中用到的核心器件的特性為藍(lán)本。如果你要設(shè)計(jì)帶有 USB-C 型接口的電子設(shè)備，同時(shí)需要這個(gè)接口能識(shí)別各種不同的設(shè)備來(lái)源并以正確的方式向其供電或?qū)ζ鋬?nèi)部電池進(jìn)行充電，參考一下這幅圖就是很有價(jià)值的。
圖中的核心元件 RTQ2115C 由 C 型 USB 下行端口控制器、充電端口控制器、USB 2.0 高速數(shù)據(jù)線(xiàn)開(kāi)關(guān)及 36V、3.5A 同步 Buck 轉(zhuǎn)換器共同組成，它可對(duì)使用 USB-C 型接口的設(shè)備接入事件進(jìn)行檢測(cè)并安排對(duì)其實(shí)施供電操作，完全符合當(dāng)下的應(yīng)用發(fā)展方向。當(dāng)符合 USB 2.0 BC1.2 和信產(chǎn)部 YD/T1591-2009 標(biāo)準(zhǔn)以及采用 Divider3 及 1.2V 模式的設(shè)備接入時(shí)，它可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)的 D+/D- 對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)并自動(dòng)判定其遵守的規(guī)格，自動(dòng)安排與其規(guī)格相符的供電操作以實(shí)現(xiàn)其充電過(guò)程，這一特性使其可以和歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的絕大部分便攜式設(shè)備兼容，使你的設(shè)計(jì)具有極其普遍的適應(yīng)性。
RTQ2115C 內(nèi)含的同步 Buck 轉(zhuǎn)換器可在 3V~36V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，最高可以耐受 42V 的電壓沖擊。其額定工作頻率為 2.1MHz，可接受 300kHz~2.2MHz 的外來(lái)同步信號(hào)控制其工作節(jié)奏。當(dāng)其以自身時(shí)鐘作為工作頻率的來(lái)源時(shí)，一個(gè)外來(lái)的邏輯信號(hào)即可控制其進(jìn)入頻譜擴(kuò)展工作模式，可大大減輕電磁兼容問(wèn)題的處理難度，這種模式下的工作頻率將在 2.1MHz~2.1MHz+6% 的范圍內(nèi)隨機(jī)跳動(dòng)。負(fù)載很輕時(shí)，其工作模式可選擇為 PSM 或 FPWM，可分別滿(mǎn)足高效率和高輸出電壓調(diào)整率的應(yīng)用需求。其輸出采用 CC/CV 控制方式，輕載時(shí)工作于 CV 模式，重載時(shí)進(jìn)入 CC 模式，非常符合充電應(yīng)用的需求，同時(shí)還能用纜線(xiàn)壓降補(bǔ)償功能對(duì)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸帶來(lái)的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，避免在負(fù)載端的電壓出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。
RTQ2115C 的引腳布置是經(jīng)過(guò) FMEA 即失效模式及其影響分析的結(jié)果，相鄰引腳出現(xiàn)短路時(shí)具有特別的保護(hù)功能可避免出現(xiàn)冒煙、燃燒等嚴(yán)重問(wèn)題。其封裝引腳具有側(cè)面可潤(rùn)濕能力，焊接時(shí)流動(dòng)的焊接材料可以將其側(cè)面也包裹住，可對(duì)焊接可靠性的提高帶來(lái)幫助，同時(shí)也方便用光電檢測(cè)法自動(dòng)發(fā)現(xiàn)焊接問(wèn)題。
RTQ2115C 實(shí)際上是針對(duì)車(chē)用電子設(shè)備的應(yīng)用需求開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)通過(guò)了AEC-Q100 Grade 1 認(rèn)證，可在 -40℃~125℃ 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)可靠工作。
下面就來(lái)談?wù)?RTQ2115C 內(nèi)含 Buck 轉(zhuǎn)換器是如何實(shí)現(xiàn) CC/CV 控制及纜線(xiàn)壓降補(bǔ)償?shù)摹?/section>
這是實(shí)現(xiàn) CC/CV 控制及纜線(xiàn)壓降補(bǔ)償所涉及到的應(yīng)用電路原理圖。
R1 和 R2 構(gòu)成的輸出電壓取樣電路獲得的反饋電壓 VFB 被送入電壓誤差放大器后與參考電壓進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)化為一個(gè)電流輸出對(duì) COMP 端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得電壓再與一個(gè)與時(shí)鐘信號(hào)同步的三角波進(jìn)行比較得到控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作的 PWM 信號(hào)，最后即可得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓，CV 控制就這樣完成了。
CC 即恒流控制是在負(fù)載電流超過(guò)預(yù)設(shè)的電流限制時(shí)用一個(gè)可控的電流源對(duì)上述控制回路中的 COMP 電壓進(jìn)行強(qiáng)行的限制，使其隨著輸出電流的上升而變得越來(lái)越低，完全不管輸出電壓的高低。這種行為在負(fù)載電流沒(méi)有超限時(shí)是不會(huì)發(fā)生的，因此和 CV 控制一點(diǎn)也不會(huì)有沖突。在上圖所示電路中，RSENSE 就是這樣的輸出電流取樣電阻，CSP/CSN 內(nèi)部連接的是一個(gè)使用 100mV 參考電壓為比較對(duì)象的誤差放大器，其輸出在下圖中被引入了 Control Logic 部分，我們可以將其想象為就是和 CV 控制回路的 COMP 節(jié)點(diǎn)連接在一起的，但是其作用遠(yuǎn)比 CV 控制誤差放大器的作用更強(qiáng)，能使 CV 控制誤差放大器的輸出完全不起作用。
現(xiàn)在說(shuō)說(shuō)纜線(xiàn)壓降補(bǔ)償是如何實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)負(fù)載電流 IOUT 流過(guò)電阻 RSENSE 時(shí)會(huì)形成一個(gè)電壓差 VCS = RSENSE x IOUT，此電壓差經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路處理后形成一個(gè)電流 ILC(µA) = 21 x ( VCS – 0.00476 )，它們兩者之間的關(guān)系如下圖所示：
此電流經(jīng)過(guò)電壓反饋電阻網(wǎng)絡(luò)上端電阻 R1 處理后會(huì)給輸出電壓加入一個(gè)偏移量 VO_OFFSET = ILC x R1 = 21 x ( RSENSE x IOUT – 0.00476 ) x 10-6 x R1，使輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的上升而自動(dòng)上升，但在負(fù)載連接端的電壓是基本維持不變的，因?yàn)檫@個(gè)偏移量的指標(biāo)是根據(jù)負(fù)載線(xiàn)的特性而提出來(lái)的。所以，實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程需要首先給出偏移量指標(biāo)，然后根據(jù)下式計(jì)算出 R1 的值：
其中的 IOUT 就是應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)的最大負(fù)載電流，RSENSE 則是這個(gè)最大負(fù)載電流流經(jīng)電阻 RSENSE 時(shí)能產(chǎn)生 100mV 壓降的電阻值。
最后再根據(jù)空載輸出電壓值 VOUT、恒壓控制的反饋參考電壓值 VREF_CV = 0.8V 及剛剛得到的 R1 計(jì)算出反饋電阻 R2 的值：
RSENSE 在應(yīng)用中會(huì)流過(guò)大電流，選擇參數(shù)時(shí)需要考慮其功率耗散能力，具體的計(jì)算公式就不在這里涉及了，使用時(shí)還必須考慮其富余量以確保安全。
本文涉及到的所有公式在 RTQ2115C 的規(guī)格書(shū)里均有出現(xiàn)，有問(wèn)題的讀者可以進(jìn)一步參考之以獲取第一手信息，點(diǎn)擊文末的閱讀原文可快速抵達(dá)。
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