适用于单节锂离子或锂聚合物电池的15W双角色USB Type-C电池管理解决方案
【导读】智能手机、平板电脑和超薄笔记本等新型电池供电移动设备所要求的轻薄特性，让 USB Type-C 充电接口成为便携式设备制造商的更佳选择，并被广泛采纳。而欧盟委员会 (EC) 更是于 2022 年 6 月颁布了一项指令，要求下一代便携式设备均兼容 USB Type-C 充电连接器，以尽量减少电子垃圾。
与传统的 micro-USB 和 USB Type-A 端口相比，USB Type-C 端口凭借多项优势助力实现稳健的系统设计，例如更高功率、更小尺寸、双向充/放电能力，并且支持任一方向插入。
不过，实现 USB Type-C 端口还需要额外的组件。图 1 显示了 USB Type-C 充电系统的传统架构，通常包括用于 CC1/CC2 通信的 Type-C CC 控制器、用于实现输入过压保护 (OVP) 的 VBUS 保护器、用于给 CC 控制器供电的低压差 (LDO) 稳压器以及用于电源管理的双向充电器。
图 1: USB Type-C 端口的传统架构
由图 1 可见，USB Type-C 系统较为复杂。对不需要 USB 供电 (PD) 通信能力的 15W 以下的应用而言，全功能的 USB PD 控制器性价比较低。本文提出的集成解决方案采用 MP2722 规避了传统 USB Type-C 架构的缺点，并进一步简化了设计过程。MP2722 是一款单电池充电芯片，它将 USB Type-C 充电系统所需的组件都集成在单个芯片中。
采用 MP2722 实现集成型解决方案
集成型 USB Type-C 电池管理解决方案可在节省空间的同时降低系统复杂性。MP2722 是一款适用于锂离子或锂聚合物电池的 5A 单电池窄电压直流 (NVDC) 降压充电芯片，它集成了 USB Type-C 双角色端口 (DRP) 检测功能。除了功率 MOSFET，MP2722 还集成了一个 DRP CC 控制器，可分别为输入或 CC 引脚提供高达 26V 和 22V 的绝对最大输入电压 (VIN)，因此无需为 VBUS 和 CC 引脚提供外部 OVP。
如图 2 所示为采用 MP2722 实现的 15W USB Type-C DRP 方案典型应用电路，该方案仅需一个电感和几个电阻、电容。
图 2: 15W、集成型 USB Type-C DRP 解决方案
在不需要微控制器 (MCU) 的情况下，MP2722 还可作为独立器件工作，所有参数均由一次性可编程 (OTP) 存储器单元配置。
USB Type-C 的 Sink、Source 和 DRP 端口
接收端口和源端口共享 USB Type-C 端口上的物理插座，这与传统的 USB Type-A 和 Type-B 端口不同。 根据 USB Type-C 规范，接收端口应在 CC1 和 CC2 引脚上提供一个下拉电阻（Rd），通常为 5.1kΩ，源端口应在 CC 引脚上根据源电流能力提供一个上拉电阻（Rp）。Rp 可等效为上拉电流源。DRP 端口支持源端口或者接收端口，也就是说，Rp 和 Rd 应在两个 CC 引脚上定期切换。表 1 显示了源模式下的 Rp 需求。
表 1: 源模式下的 Rp 需求
当两个 USB Type-C 连接器连接之后，其中一个 CC1 或 CC2 引脚通过 USB Type-C 电缆中的 CC 通道连接。通过监控 CC 引脚上的 Rp 和 Rd值，USB Type-C 设备可以检测连接了源端还是接收端，并在接收模式下根据不同的 Rp 值设置适当的输入电流限制 (IIN_LIM)。
图 3 显示了通过 USB C 到 USB C 电缆连接源端和接收端的模型，其中，Ra 表示未施加电源 (VCONN) 时电缆上的电子标签（E-mark IC）电阻。
图 3：USB Type-C 上拉/下拉模型(1)
传统电缆
传统电缆是一端带 USB Type-C 连接器、另一端带 USB Type-A 连接器的电缆。这种电缆可实现 USB Type-C 产品和 USB Type-A 产品之间的互操作性。由于 USB Type-A 端口上没有 CC 引脚，因此 USB Type-C 连接器中的 CC1 和 CC2 引脚应通过一个 56kΩ 的电阻上拉至 VBUS 引脚，以维持其 500mA 的默认电流能力。然后，接收端口可遵循其他协议，例如 USB 电池充电规范 1.2 (BC1.2)，汲取超过 500mA 的电流。
不同端口的 DRP 操作
MP2722 单电池充电器集成了 USB Type-C Source/Sink 检测算法，并支持 DRP 切换功能，以在源模式和接收模式之间自动切换。图 4 显示了 USB Type-C DRP 端口的状态机，其中 vOpen 是指源端 CC 引脚的开路阈值，vRa 指配件连接到 CC 引脚时的电压。
图 4：DRP 模式(1)
为避免两个 DRP 端口相互连接的随机结果，MP2722 支持 Try.SRC 和 Try.SNK 模式，当 USB Type-C 端口连接到另一个未启用 Try.SRC 或 Try.SNK 的DRP 端口时，USB Type-C 端口可分别作为源和接收器运行。当 USB Type-C 设备主要用作源端（例如充电宝中的 DRP 端口）或接收端（例如手机中的 DRP 端口）时，该功能很有用。
图 5 显示了带 Try.SRC 功能的 USB Type-C DRP 模式。
图 5：DRP 模式(1)带 Try.SRC 功能
图 6 显示了带 Try.SNK 功能的 USB Type-C DRP 模式。
图 6：带 Try.SNK 功能的 DRP 模式(1)
注释：
1. 图片来源：USB Type-C 规范 R2.2
MP2722 的其他关键特性
除了支持 USB Type-C DRP 操作外，MP2722 还具备其他重要特性，例如传统电缆检测、BC1.2 兼容和湿度检测。下面将详细介绍这些特性。
传统电缆检测
如果采用标准 USB C 到 USB C 电缆，CC1 或 CC2 引脚连接之后，源端将需要 100ms 至 200ms 的抗尖峰脉冲时间来导通 VBUS 输出。但传统电缆没有这个抗尖峰脉冲时间，VBUS 始终处于启用状态。MP2722 可以检测它是否连接到了传统电缆，并通过中断信号通知主机。
BC1.2 兼容
根据 USB Type-C 规范，传统电缆必须通过一个56kΩ 电阻将其 CC 引脚上拉至 VBUS。这意味着，即使适配器可以支持更高的输出电流 (IOUT) 能力，在应用了 CC 检测的情况下，接收器也只可以汲取最大 500mA 的电流。MP2722 支持 BC1.2 检测，以从源端汲取更高的电流，并缩短充电时间。
湿度检测
USB 连接器中的湿气随着时间的推移可能产生腐蚀，从而导致连接器引脚开路或短路。在未连接电源时，MP2722 可通过 在 VBUS 上提供电流来测试 USB Type-C 端口的输入阻抗。如果在连接器中检测到湿气，主机可以提醒用户采取进一步的措施。
采用 MP2722 实现的 15W、DRP USB Type-C 解决方案原型
图 7 显示了 EV2722-RH-00A 评估板，该板为 15W、DRP USB Type-C 电池管理解决方案的原型。
图 7：采用 MP2722 实现的 15W、DRP USB Type-C 解决方案原型
电感(L1)为 1μH，可通过公式 (1) 计算：
其中 VIN 为 5V，系统电压 (VSYS) 为 3.7V，开关频率 (fSW) 为 1MHz，电感电流纹波 (ΔIL_MAX) 为 5A x 20%。
输入和输出电容可吸收高频开关电流纹波。对于MP2722，输入电容（CIN）为1μF，PMID电容（CPMID）为10μF，系统电容（CSYS）为20μF，电池电容（CBATT）为20μF。
在未连接电源或接收器时，CC1 和 CC2 的波形如图 8 所示。MP2722 在 80ms 的时间段内切换 Rp 和 Rd。
图 8：MP2722 的 CC1 和 CC2 DRP 波形
图 9 显示了在 DRP 模式下、连接电源或负载时的波形。其中 MP2722 设置为 DRP 模式，无 Try.SRC 或 Try.SNK 模式，电池电压 (VBATT) 为 4V，接收模式下充电电流 (ICC) 为 2A，源模式下 IOUT 限流值为 3A，并且 CC1 引脚连接到 USB Type-C 电缆的 CC 通道。图 9a 为连接 5V/3A 电源 (Rp) 时的波形，图 9b 为连接了 1A 负载 (Rd) 时的波形。
图 9: DRP 模式下连接电源或负载时的波形
图 9a 显示了当 MP2722 的 CC 引脚切换至 Rd 时，电源接通。连接的电源检测到 MP2722 上的 Rd ，则启用输出，然后 MP2722 开始充电。图 9b 显示了当 MP2722 的 CC 引脚切换至 Rp 时，接收器接通。MP2722 一旦检测到外部 Rd，就会在 150 毫秒的抗尖峰脉冲时间后启用输出。请注意，如果电池电流（IBATT）为负，则表示电池正在放电。
图 10 显示了当 MP2722 连接到另一个 DRP 端口，且 Try.SNK 或 Try.SRC 模式启用时的波形。
图 10：MP2722 连接到另一个 DRP 端口时的 Try.SNK 和 Try.SRC 波形
如图 10a 所示，当启用了 Try.SNK 的 MP2722 连接到另一个 DRP 端口时（更多信息请参见图 6）将发生以下情况：一旦 MP2722 连接到外部 Rd，即进入等待状态。接下来，MP2722 进入 Try.SNK 状态，并通过 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，MP2722 充当接收器为电池充电。 如图 10b 所示，当启用了 Try.SRC 的 MP2722 连接到另一个 DRP 端口时（更多信息请参见图 5）将发生以下情况：一旦 MP2722 连接到外部 Rp，即进入等待状态，直到检测到 VIN。然后，MP2722 通过 Rp 上拉 CC1 和 CC2，从而启动 Try.SRC。当外部端口检测到 MP2722 上的 Rd 消失，它会关闭输出并通过 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，一旦 MP2722 检测到外部 Rd，即启用输出并作为源端工作。 请注意，IBATT 为负表示电池正在放电。
结语
与传统的分立式方案相比，采用 MP2722 这样的单电池充电器设计的集成电池管理解决方案需要的外部元器件更少，这将有效减小 PCB 尺寸，简化设计流程，并缩短设计周期。MP2722 还提供传统电缆检测、BC1.2 兼容和连接器湿度检测等高级功能，以实现更高的系统兼容性与安全性。这些功能使 MP2722 非常适合构建低成本、15W、双角色 USB Type-C 充电解决方案。
来源：MPS
作者：Noah Zhang
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