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ADI:轿车USB Type-C电源解决方案: 1平方英寸的45 W、2 MHz降压-升压控制器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 USB Type-C是一种相对较新的高功率US

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USB Type-C是一种相对较新的高功率USB外设规范,用于计算机和便携式电子设备。USB Type-C规范推动了USB供电规范的改动,不同于长期存在的5 V USB规范,Type-C规范的总线电压最高可达20 V,电流运送才能最高可达5 A。衔接的USB-C设备能够彼此辨认并洽谈总线电压——从默许5 V USB输出到几个更高的预设电压等级,以便在需求时完成更快的电池充电和更高的功率运送(最高可达100 W)。

电池充电器中运用的简略紧凑型降压调理器和线性稳压器,仅需求5 V、500 mA至2 A的USB供电,并未充沛掩盖悉数Type-C USB电源规模。Type-C USB电源添加的电压规模(5 V至20 V),需求的不仅仅是9 V至36 V(或60 V)轿车电池或其他充电电源的降压转化,还需求一个可调降压-升压转化器,以便能够一起对输入至输出电压进行升压和降压。

此外,关于高功率轿车USB充电器,降压-升压转化器应支撑10 A或更高峰值开关电流额定值,并供给低EMI功能。将开关频率设置在AM无线电频带之外并使解决计划坚持小尺度的才能是颇受追捧的特性。高压单片转化器(带片上开关)不能接受如此高的峰值开关电流而不焚毁。

LT8390A 是一款共同的2 MHz同步四开关降压-升压操控器。在2 MHz开关频率时,它可供给5 V至15 V的输出电压(3 A时最高45 W),以经过轿车电池为USB-C设备供电。如此高的操控器开关频率使得解决计划尺度很小,带宽很高,而且AM无线电频带之外的EMI很低。扩频调频和低EMI电流检测架构均有助于LT8390A运用经过CISPR 25 Class 5级EMI规范的严厉检测。

高功率密度转化:尺度(和功率)、功率、热量

在轿车或便携式电子设备环境中作业的电压调理器体系的规划,遭到电路的空间需求以及作业时发生的热量的束缚。在给定规划束缚条件下作业时,以上两个要素决议了可完成功率水平的上限。

进步规划的开关频率答应运用较小的电感,而这常常是宽输入电压四开关降压-升压稳压器规划中尺度最大的元件。与150 kHz或400 kHz规划比较,LT8390A的2 MHz开关频率才能支撑运用尺度小得多的电感。图1显现了一个完好规划。除了较小的电感外,该解决计划仅运用陶瓷型输出电容,无需运用体积较大的电解电容。该规划所需的悉数元器件(包含IC)都包含在一个1平方英寸的小型电路板上,如图1所示。

图1. 1平方英寸巨细的高功率、低EMI USB Type-C电源解决计划
图1. 1平方英寸巨细的高功率、低EMI USB Type-C电源解决计划。

图2显现了一个选用契合AEC规范的元器件的45 W LT8390A解决计划。该规划比较环境温度的最高温升为65°C,如图3所示。虽然解决计划尺度很小,但LT8390A体系在供给45 W输出时的峰值功率可达94%;在全输入规模内,关于所发生的每个输出电压,功率误差小于10%,如图4中的图表所示。

图2. 这款LT8390A稳压器解决计划选用契合AEC规范的MOSFET、磁性元件和电容,供给最高3 A电流和可选的5 V、9 V或15 V低EMI输出
图2. 这款LT8390A稳压器解决计划选用契合AEC规范的MOSFET、磁性元件和电容,供给最高3 A电流和可选的5 V、9 V或15 V低EMI输出。
图3. 在发生45 W输出功率的一起,该小型电路的最大温升仅比环境温度高65°C
图3. 在发生45 W输出功率的一起,该小型电路的最大温升仅比环境温度高65°C。
图4. 运用轿车SLA电池供电时,关于全输出电压,LT8390A稳压器体系坚持94%至84%的功率
图4. 运用轿车SLA电池供电时,关于全输出电压,LT8390A稳压器体系坚持94%至84%的功率。

合适轿车运用的低EMI

LT8390A具有多种共同的下降EMI的特性,可完成高功率转化和低噪声功能,然后简化其在轿车体系中的施行。LT8390A与其他四开关操控器之间的明显差异在于电感电流检测电阻的方位。大多数四开关降压-升压操控器往往运用接地基准电流检测计划来取得开关电流信息,而LT8390A将其电流检测电阻与电感串联。经过将检测电阻与电感串联,便可有效地将电阻从降压和升压热环路中移除,然后缩小环路尺度并改进EMI功能。

除了电感检测电阻方位的架构优势外,LT8390A还内置扩频调频功能以进一步下降操控器发生的EMI。此外,降压和升压功率开关的边缘速率仅运用几个分立元件来操控,以减缓MOSFET的导通,保证在下降功率开关的高频EMI与温升之间达到恰当的平衡。凭仗这些下降EMI的特性,满意CISPR 25规范所需的仅有滤波器由输入和输出上的小型铁氧体滤波器供给,而不是大型铁氧体外壳和粗笨的LC滤波器。图1所示的解决计划选用契合AEC-Q100规范的元器件规划。

输出电压的无缝转化

LT8390A的输出电压能够在不封闭转化器的情况下进行调整,办法是运用逻辑电平信号来驱动MOSFET,然后调理输出端的电阻分压器以改动设定电压。带GPIO引脚的USB PD源操控器可与LT8390A体系合作运用,为主机和USB衔接设备之间的洽谈进程供给便当,并设置所需的总线电压。

图5显现了LT8390A体系输出从一个输出电压十分平稳地转化到另一个输出电压。当从12 V输入电源供电时,从数字操控信号的上升沿开端丈量,每次转化到更高输出电压最多需求150μs就能安稳。在输出电压改动期间,降压-升压操控器阅历降压、升压和降压-升压操作之间的形式转化,详细取决于输入与输出电压的联系。这些形式转化以受控方法履行,避免输出电压过度过冲或下降。

图5. LT8390A体系输出在5 V、9 V和15 V输出之间平稳转化,一起向输出端接连运送功率
图5. LT8390A体系输出在5 V、9 V和15 V输出之间平稳转化,一起向输出端接连运送功率。

扩展到45 W以上

要将输出功率水平进步到45 W以上,需求以较低开关频率作业,以便下降开关损耗,不然这种功率水平或许会给MOSFET带来热应力。作为LT8390A的代替产品,LT8390的作业频率介于150 kHz和600 kHz之间,具有与LT8390A相同的特性组合,可完成低EMI、高功率降压-升压规划。选用较大电感和输出电容的400 kHz LT8390体系,可轻松运用轿车电池输入完成100 W的输出功率,温升在可接受规模内。图6显现了各种电池供电输入下LT8390A和LT8390产品线的功率才能。

图6. LT8390A和LT8390涵盖了USB供电的各种输出功率等级
图6. LT8390A和LT8390涵盖了USB供电的各种输出功率等级。

定论

针对为衔接设备供电的稳压器的新USB规范,支撑经过添加稳压器可供给的输出电压规模和电流运送来完成更高的功率传输。便携式和轿车电池供电的USB-C充电器设备需求一种宽VIN/VOUT降压-升压稳压器,以便运送高于或低于输入电压的总线电压。2 MHz开关频率使LT8390A能够供给最高45 W的输出功率,解决计划尺度很小。关于超越45 W的功率水平,能够运用LT8390,不过解决计划尺度会稍微增大,开关频率会下降。

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