用于 USB-PD 的升降压控制器设计

大家好、我叫

Stefan、 在本次演示中、我将讨论如何使用适用

于 USB PD 的降压 / 升压控制器设计功率级。

在本演示中、我首先简要介绍了 USB Type C

以及电力输送规范。

然后深入了解功率级设计。

重点介绍 USB、功率级的 PD 特定要求、

如何检查功率级、然后给您一些结论。

USB 规范 2.0 也包含 USB 电力输送规范 1.0。

这样可在 15、 27、 45、 60 和 USB PD

规范两个零条件下提供固定输出功率。

此外、 USB 电力输送规范3 中为 100W

添加了可编程电源协议、然后可将输出电压设置为 20 毫伏阶跃。

标准功率范围协议也包含在三零规范中、

允许在扩展功率范围

协议中以 20 伏的最大输出电压提供 100W 功率、

并可达到 USB 电力输送规范 3.1 中添加至 240W 的功率、

高达48V的电压。

什么是 USB Type C？ 它是未来的通用连接、可

通过单个端口提供电源、数据、视频、音频或其他功能。

在这种 48V 和 5A 设置下、它能够提供高达 240W 的功率。

最高可达每秒 40GB。

USB 四零和 HUK 视频数据。

因此、它是通过单根线实现灵活连接的。

易于连接、易于使用、

并且应在未来几年取代

PC 手持设备的大多数连接。

USB 电源选项提供不同的配置,以满足不同的要求,

所以轻松的 USB Type C

可以只有 5 伏 3 安培的 15W 功率,

这是容易和良好的用于移动设备, USB 配件,类似的东西.

对于笔记本电脑、显示器、一些墙壁插座、 USB 3.0 规范、

也就是呃、在 5A 和 20V 电压下提供 100 瓦的功率、

可以特别用于功率要求更高的应用、如电动工具和园艺工具、

电动自行车充电。

电动自行车。 电动踏板车。 游戏 PC。

这一 uh、uh 家用电器的电源可通过一个端口提供高达 240 瓦

的功率、并在操作这些设备时提供充电电源。

USB、PD 3.0 和扩展功率范围规范对此进行了介绍。

电源 USB 的设置通过所谓的 USB PD 电源规则来处理。

这包括输入电压、

对于工业或 PE、 该输入电压可能是固定的、对于汽车或其他可变的、

该输入电压可能是固定的。

如果、 uH 系统由另一侧的 USB

电力输送端口供电。

因此、在这种情况下、电源输出电压可以

在5V到 48V 之间、也可以设置在 5V 到 48V 之间、

就像输出电流在 1 到 5 安培之间一样。

所有这一切都取决于协商和支持的功率分布。

因此、供电方和受电方需要同意并找出它们可以支持的内容

以及最后确定哪些是当前解决方案的最佳选择

这将提供 5

安培或 5 瓦的输出功率和 2040W 输出电压。

此外、在变化期间、压摆率可以为 30mV/微秒、

并且可以在 1.4 毫秒内从 5V 变为 48V。

电源有两种不同版本：标准功率范围

和扩展功率范围；在标准功率范围内、输出为 a。

在可编程电源中、可以实现 20 毫伏步长；

在扩展功率范围内、可以使用可调电压电源进行处理、

其中可以动态设置 100 毫伏步长。

我们在下面这个方框图中看到的。

与大容量输出电容之间存在

很大的关系、通常为 100

微法或几百微法。

需要使用一个断开开关将

此输出电容连接和断开与连接器的连接。

根据 USB 规范、仅允许在连接器侧

直接使用高达 10 微法的电容、

因此在识别完成并将系统设置为电源之前、

需要断开系统连接。

现在、我们来看看功率级设计。

首先、我们应考虑输入电流。

如果我们以 240 瓦的输出功率为目标、

输入电流可能会大于 20 安培。 特别是如果

我们只有 12 伏的电源。

那么我们将看到 22 安培的电流、类似这样的电流。

但即使输入 20 伏、输出

240 瓦输出的输入电流也在 13 安培范围内。

基于该输入、电压并目标输出电压范围为 5V 至 48V。

我们需要降压/升压拓扑。

由于我们在此处提供的输出功率非常高、

因此只需要四开关降压 / 升压解决方案、

而二极管中的损耗也会很高、如果使用异步设计、则会变得过高。

因此、我们有一个典型的四开关降压/升压设计可以生成高于

和低于输入电压的输出电压。

我们首先选择正确的电感器和电感器计算。

此应用类型最关键的一点是升压情况、

假设输入电压为 20V 或 12V、

输出电压通常为 48V、 输出电流通常为 5A。

这是升压情况。

通常根据电感器电流纹波进行选择。

因此、在该工作模式下电感器会出现纹波。

不会受到影响。

已经或需要在电感器的尺寸

和损耗之间做出折衷、如此处的图所示。

绿色曲线以某种方式表示电感器的尺寸、这意味着

右侧的电感非常小。

在左侧、我们通常会看到无限的电感。

我们在电感器中看到的是线性损耗、基本上是 RC 损耗、

电感器电阻的损耗、

然后是基于电感器中磁损耗的损耗

（这是纹波电流导致的）损耗。

因此、电感器越小、纹波电流越高、

电感器中的损耗就越高。

同样在该图中、我们可以看到、

在升压情况下、此图中

展示的纹波电流比在降压情况下更高。

因此、在纹波和尺寸导致的损耗

之间平衡电感器仍然是最重要的事情。

我们可以在这里看到、

对于 3.3 微亨、可能可以达成一个很好的折衷方案、

因为与其他纹波相比、它仍然相当低、

但在一个很好的折衷方案中、尺寸仍然很小。

汽车领域、输入电压为 12 伏。

这看起来可能有所不同、

但在汽车上、我们也可以进行折衷、假设

输出电压仅为 28 伏。

汽车应用中可能不需要全部 240 瓦的功率。

所以输入电压降低到 12 伏、

输出功率为 140 瓦、电压为 28V、电流为 5 安培。

在这种情况下、纹波电流可能会变得不那么占主导地位。

我们仍然可以再次选择 3.3 伏的电感器、或者是3.3伏的电感器、或者是一定范围的电感器、

uH、 尺寸的电感器、并且在电感器尺寸、成本和损耗之间仍然有很好的折衷。

现在、我们来讨论 MOSFET 选择的注意事项。

漏极和源极之间电压的额定

电压需要大于升压转换器上的输出

电压并大于背面的输入电压、

25%的裕度通常是可以接受的。

所以真正考虑这里的另一个裕度。

此外、还需要计算损耗、以确定损耗

是否合适、或者损耗是否可能过高、以及是否无法由系统本身处理。

理想情况下、损耗应在导通损耗

和开关损耗之间均匀分布。

从而在 MOSFET 的额定值与相应参数之间实现良好平衡。

请记住、较高的 RMS 电流会导致较大的导通损耗、

较高的栅极电荷会导致更高的开关损耗。

这张幻灯片提供了用于计算高侧降压和低侧升压

MOSFET 的控制 MOSFET 损耗的公式、也可以计算这些损耗。

例如、下图显示了

低侧升压控制 MOSFET 损耗、

以及如何根据输出电压产生不同的损耗。

那么我们在这种情况下会看到、假设输入电压为 20 伏。

在低于 20 伏的区域中、我们有降压外壳。

因此升压损耗是不可见的。

在较高的输出电压下、升压运行越多、

损耗将越高。 另外、特别是在本次讲座中、

传输损耗将达到最高的部分。

其他元件要小得多、无需考虑太多。

但是我们可以看到、根据所选的参数、

该损耗可能会发生变化、需要逐例考虑、

MOSFET 需要考虑。

同样也适用于同步 MOSFET 损耗。

在这里、我们再次看到用于计算不同损耗的公式。

因此、对于同步、它位于低侧、而在升压侧、它位于高侧。

如果我们查看下面的图表、可以看到高侧升压 MOSFET 损耗。

在这个阶段、我们在体相中仍然有 RDS ON 的损耗。

电流仍然需要通过 MOSFET。 然后、

一旦我们处于升压阶段、输出侧的电压就越高。

损耗也会增加。

在这里、我们还看到、白天损耗

和 RDS 损耗 RDS ON 损耗相当平衡。

这就是我们在选择 MOSFET 时通常要达到的目标。

现在让我们来看看

与标准功率级相比、 USB-PD 功率级更具体的方面、

因为可能只需要提供固定输出电压固定输出功率。

USB-PD 有一些额外的非常特定的要求、需要

满足。

首先、正如我们已经多次看到的、

输出电压可在工作

模式下发生变化、可扩展和动态变化。

因此、输出电压在 4V 到 45V 和 48V 之间、具体取决于支持的曲线。

输出电压阶跃为 20 毫伏。

它还需要支持 USB 的转换规范。

选择功率级的输出电压通常是。

有多个选项可用。

嗯。通常用于将电流注入反馈节点、

检测输出电压、然后重试信息、

然后将其发送回控制器以调整输出电压。

但它的非线性形式行为需要校准、

最终非常复杂。

另一种方法是使用模拟或数字控制信号、

然后将其馈入误差放大器控制环路、

并根据该信息调整输出电压。

这需要额外的控制信号（例如模拟或数字信息）来实现

这一设置。

最常用的是通过 I2C 控制输出电压的版本、

这是最简单且最常用的信息。

通常、您已经有一个控制器

来控制整个系统。

它可以通过 I2C 与

控制器通信、只需向控制器发送 I2C 命令即可

设置输出电压、然后该命令将设置输出电压。

在此方框图中、我展示了 LM 251772。 它提供了所有这些选项、

因此可以实施所有这些选项。

但通常它使用 I2C 来设置输出电压。

调节输出电压。

我们还必须考虑存在输出电容。

可能在输出端 100 或几百微法拉。

现在、当改变输出电压时、

我们可以得到非常大的浪涌电流、如所示。

此外、该输出电容器需要从输出电压 uH 上

充电或改变、到该 uH 电容器中。

这可能需要这种浪涌电流。

因此、需要使用压摆率控制来

缓慢变化或不改变输出电压。

使浪涌电流保持在受控和有限的电流量中。

USB 规范将其定义为一个参数、

需要输出电压具有 30mV/微秒的压摆率。

LM 25172 提供可编程压摆率、

不过这可以只需通过控制器中的 I2C

命令进行设置一次。

然后、用户甚至会将输出电压

从 5V 更改为 48V、 控制本身将保持

输出电压的压摆率并确保考虑此规格。

还需要限制输出电流。

这既可以用于保护、

也可以用于充电、以便维持特定的充电电流。

此外、还需要根据支持的配置文件将电流设置在 1 至 5 安培之间。

在这里、不同设置之间的步骤在实现时也

需要仅为 50 毫安。

可以使用此处所示输出路径上的电流传感器。

该传感器提供的信息反馈回控制器、

然后降低控制环路中的输出电压以保持该电流。

由于这也需要动态更改、

因此需要实现不受控制的系统、

这可以由用户或 USB 控制器进行设置。

此外、这可以通过 I2C 等方式实现、尤其是在该器件中。

也显示了 251772。 它将通过 I2C 命令置位、

然后通过修改控制环路和设置输出电压完全在内部处理、

只是为了达到定义的电压的电流、

在这种情况下保持不变。

非常特定于 USB。

PD 电源使用断开 FET、

需要它来断开 USB 连接器的大容量输出电容。

如前所述、

USB 规范要求

连接器本身只需一个 10 微法

或更低的电容器、直到

识别协商完成、器件被识别并设置为供电设备、

只有在这之后、此连接才能闭合、

连接器本身才会提供高输出电容。

为了实现这种断开连接、可以使用 MOSFET、并且通常使用 MOSFET。

有两个版本的 MOSFET（可能是 PMO 或 NMOS）、

其中 PMO 从设计中要简单得多、

但通常需要更昂贵的 MOSFET、

因为 PMO 比 NMOS 更昂贵、

并且这也对输出短路有一些限制、如所示。

然后、该 MOSFET 进入线性模式、可能会产生非常高的损耗。

由于 MOSFET 的开路电压变得非常小、

因此 MOSFET 的电阻可能非常高、并且或多或少都是如此。

这将限制电流并使 MOSFET 产生所有损耗。

更好的选择是使用 NMOS、但为此、您需要让电荷泵

来获取高于源信号的栅极信号以真正地将其泵出。

但它也有更高的效率、因为使用 NMOS 通常也

可以降低 DS 导通损耗。

如前面的幻灯片所示、

实现断开连接作为 NMOS 需要的电荷泵。

但使用外部电荷泵时、需要一些时间

积累电荷并打开 NMOS。

此外、为了对栅极和电容器进行放电、

需要在放电电阻器被禁用时对其进行放电。

当然、在本例中、

这些时间比 PMO 解决方案的时间长、但对于 USB PD 来说、

这仍然不是问题、

因为我们在有关断开连接和参数的规格

方面有很长的时间。

我还记得、这是

在连接和断开电缆的连接器时发生的。

这是一个相当慢的过程。

这也不是问题。

我们可以轻松使用 NMOS 并获得 MOS 解决方案的所有优势。

仍然在输出侧、

输出电压也需要根据 USB

电源传输规格进行放电。

只需注意、输出可能设置为 48V、

插头连接器刚刚断开并连接到另一个器件、在这种情况下、

它可能仍在输出电容器上具有 48V 电压、

器件可能会由该器件充电、

如果不支持如此高的电压、则可能会损坏。

因此、断开后、

输出需要在一定的时间内放电、

USB 规范也对此进行了规定。

此操作的最短时间为 160 毫秒。

举个例子、

如果我们的输出电压为 48V、输出电容为 550 微法拉、

然后我们需要在 160 微秒内对其放电、那么

可以得到 40 毫安的放电电流。

所以这种放电可以通过泄放电阻器来完成。

然后、我们在 48V 电压上有 14 毫安的恒定电流。

这样我们就不会得到想要获得的功率和效率数据。

我们可能需要该电源系统。

因此、对于我

在本演示中已经用过几次作为示例的 LM 25172、

可以使用内部寄存器设置输出放电。

然后、它由系统本身由控制器本身控制、

仅在需要放电的情况下启用。

因此在禁用电源时会发生这种情况。

也可以在该器件中通过 I2C 设置放电电流、

并且可以使用不同的设置

来满足 USB-PD 电力输送规范的要求。

在 USB 电力输送特定选项的最后一点、

我想谈谈电缆压降补偿。

而功率级通常直接检测功率

级末端的输出电压、并使电压保持稳定。

在 USB 上、通常连接一根电缆、

在电缆末端可能会有一些额外的 mV 100mV 压降、

尤其是电流越高、

压降越大。

如果已知此

设置、还可通过测量电流来调整功率级的输出、

即通过电缆的该压降调整功率级的输出、

然后在功率级的输出上产生更高的电压、

以便电缆的输出具有应设置的正确电压、

该电压应由系统本身提供。

因此、在系统内也可以轻松实现这一点保持、

并将其作为一项功能、能够在电缆末端而不是仅

在功率级末端提供输出电压输出功率。

一旦设计了电源并且有了第一个原型、

就需要正确检查功率级。

这项检查应包括环路稳定性、阶跃响应、自动切换模式、

针对 Apptronik 机架电流

额定值进行过冲检查以及热性能、

以确保在应用的整个运行期间稳定且一致的电源、

从而确保环路稳定性。

需要进行多项检查、尤其是此处所示的

可调输出电压。

应对所有具有最大电流的输出电压设置

以及最小标称值和最大值的输入电压进行检查。

在此处检查

RHPZ、 还要确认在所有该条件下、

带宽的交叉频率设置为两者中的较低者、

即开关频率的十分之一和 RHPZ 的至少三分之一。

确认相位裕度足够好、因此应大于

60 度、并保持–12dB 的增益裕度。

由于高功率范围。

也有相当高的电流、尤其是在输入侧。

由于存在这种高电流、您可以

在开关节点上轻松获得高下冲和过冲、并且需要正确

检查这种情况、以确保不超出器件的上行最大额定值。

例如、我们在

右侧示波器图中可以看到、在开关节点 2 处的下冲

为–10V、这很容易违反控制器的规格。

因此、在这种情况下、需要改进设计。

因此、可以重新布局、仔细检查布局、或添加或调整缓冲器

或栅极电阻器以抑制下冲。

有关如何设计缓冲器的一个好技巧是下面的链接、

该链接定义并展示了如何通过七个步骤计算 RC 缓冲器。

在这里、我们看到了使用 LM 251772

控制器左侧的功率级原理图。

在这里、我们看到功率级有四个 MOSFET、

电感器和输出电容器位于中心位置。

在右侧、我们看到一个使用该器件完成的 EVM。

在这里、我们还看到 EVM 的那个角

是控制器、还有功率级、旁边是电感器和 MOSFET。

就在这一点上、

我们看到输入和输出电容器、所有其他器件仅

用于连接和调试目的。

关键参数。 TI 提供了几种工具。

现在、该屏幕上我们会看到一个基于 Excel 的快速入门计算器工具、

它可以帮助您定义器件输入电压、输出电压

的所有设置、

然后评估需要在外部连接的各种重要参数和组件、如电感器、

传感器、电阻器、斜率、补偿

还可为您提供有关波特图以及增益和相位裕度、

环路稳定性和热损耗的信息。

这里我提供了所有器件的参考资料。

规格中使用的两个 TI EVM。

供进一步阅读。 这里还提供了一些链接、

为您提供了其他资源和其他信息。

为 USB-PD 设计功率级确实需要

支持多种功能范围和功能集。

如果您为 USB-PD

使用了正确的功率级控制器、则需要正确选择功率级元件和补偿。

它可以满足 USB 规格的许多附加要求、

并使构建该功率级变得更加容易。

功率级设计并帮助您。

希望我能帮助您找到合适的

功率级设计资源、感谢您的关注。

大家好、我叫

Stefan、 在本次演示中、我将讨论如何使用适用

于 USB PD 的降压 / 升压控制器设计功率级。

在本演示中、我首先简要介绍了 USB Type C

以及电力输送规范。

然后深入了解功率级设计。

重点介绍 USB、功率级的 PD 特定要求、

如何检查功率级、然后给您一些结论。

USB 规范 2.0 也包含 USB 电力输送规范 1.0。

这样可在 15、 27、 45、 60 和 USB PD

规范两个零条件下提供固定输出功率。

此外、 USB 电力输送规范3 中为 100W

添加了可编程电源协议、然后可将输出电压设置为 20 毫伏阶跃。

标准功率范围协议也包含在三零规范中、

允许在扩展功率范围

协议中以 20 伏的最大输出电压提供 100W 功率、

并可达到 USB 电力输送规范 3.1 中添加至 240W 的功率、

高达48V的电压。

什么是 USB Type C？ 它是未来的通用连接、可

通过单个端口提供电源、数据、视频、音频或其他功能。

在这种 48V 和 5A 设置下、它能够提供高达 240W 的功率。

最高可达每秒 40GB。

USB 四零和 HUK 视频数据。

因此、它是通过单根线实现灵活连接的。

易于连接、易于使用、

并且应在未来几年取代

PC 手持设备的大多数连接。

USB 电源选项提供不同的配置,以满足不同的要求,

所以轻松的 USB Type C

可以只有 5 伏 3 安培的 15W 功率,

这是容易和良好的用于移动设备, USB 配件,类似的东西.

对于笔记本电脑、显示器、一些墙壁插座、 USB 3.0 规范、

也就是呃、在 5A 和 20V 电压下提供 100 瓦的功率、

可以特别用于功率要求更高的应用、如电动工具和园艺工具、

电动自行车充电。

电动自行车。 电动踏板车。 游戏 PC。

这一 uh、uh 家用电器的电源可通过一个端口提供高达 240 瓦

的功率、并在操作这些设备时提供充电电源。

USB、PD 3.0 和扩展功率范围规范对此进行了介绍。

电源 USB 的设置通过所谓的 USB PD 电源规则来处理。

这包括输入电压、

对于工业或 PE、 该输入电压可能是固定的、对于汽车或其他可变的、

该输入电压可能是固定的。

如果、 uH 系统由另一侧的 USB

电力输送端口供电。

因此、在这种情况下、电源输出电压可以

在5V到 48V 之间、也可以设置在 5V 到 48V 之间、

就像输出电流在 1 到 5 安培之间一样。

所有这一切都取决于协商和支持的功率分布。

因此、供电方和受电方需要同意并找出它们可以支持的内容

以及最后确定哪些是当前解决方案的最佳选择

这将提供 5

安培或 5 瓦的输出功率和 2040W 输出电压。

此外、在变化期间、压摆率可以为 30mV/微秒、

并且可以在 1.4 毫秒内从 5V 变为 48V。

电源有两种不同版本：标准功率范围

和扩展功率范围；在标准功率范围内、输出为 a。

在可编程电源中、可以实现 20 毫伏步长；

在扩展功率范围内、可以使用可调电压电源进行处理、

其中可以动态设置 100 毫伏步长。

我们在下面这个方框图中看到的。

与大容量输出电容之间存在

很大的关系、通常为 100

微法或几百微法。

需要使用一个断开开关将

此输出电容连接和断开与连接器的连接。

根据 USB 规范、仅允许在连接器侧

直接使用高达 10 微法的电容、

因此在识别完成并将系统设置为电源之前、

需要断开系统连接。

现在、我们来看看功率级设计。

首先、我们应考虑输入电流。

如果我们以 240 瓦的输出功率为目标、

输入电流可能会大于 20 安培。 特别是如果

我们只有 12 伏的电源。

那么我们将看到 22 安培的电流、类似这样的电流。

但即使输入 20 伏、输出

240 瓦输出的输入电流也在 13 安培范围内。

基于该输入、电压并目标输出电压范围为 5V 至 48V。

我们需要降压/升压拓扑。

由于我们在此处提供的输出功率非常高、

因此只需要四开关降压 / 升压解决方案、

而二极管中的损耗也会很高、如果使用异步设计、则会变得过高。

因此、我们有一个典型的四开关降压/升压设计可以生成高于

和低于输入电压的输出电压。

我们首先选择正确的电感器和电感器计算。

此应用类型最关键的一点是升压情况、

假设输入电压为 20V 或 12V、

输出电压通常为 48V、 输出电流通常为 5A。

这是升压情况。

通常根据电感器电流纹波进行选择。

因此、在该工作模式下电感器会出现纹波。

不会受到影响。

已经或需要在电感器的尺寸

和损耗之间做出折衷、如此处的图所示。

绿色曲线以某种方式表示电感器的尺寸、这意味着

右侧的电感非常小。

在左侧、我们通常会看到无限的电感。

我们在电感器中看到的是线性损耗、基本上是 RC 损耗、

电感器电阻的损耗、

然后是基于电感器中磁损耗的损耗

（这是纹波电流导致的）损耗。

因此、电感器越小、纹波电流越高、

电感器中的损耗就越高。

同样在该图中、我们可以看到、

在升压情况下、此图中

展示的纹波电流比在降压情况下更高。

因此、在纹波和尺寸导致的损耗

之间平衡电感器仍然是最重要的事情。

我们可以在这里看到、

对于 3.3 微亨、可能可以达成一个很好的折衷方案、

因为与其他纹波相比、它仍然相当低、

但在一个很好的折衷方案中、尺寸仍然很小。

汽车领域、输入电压为 12 伏。

这看起来可能有所不同、

但在汽车上、我们也可以进行折衷、假设

输出电压仅为 28 伏。

汽车应用中可能不需要全部 240 瓦的功率。

所以输入电压降低到 12 伏、

输出功率为 140 瓦、电压为 28V、电流为 5 安培。

在这种情况下、纹波电流可能会变得不那么占主导地位。

我们仍然可以再次选择 3.3 伏的电感器、或者是3.3伏的电感器、或者是一定范围的电感器、

uH、 尺寸的电感器、并且在电感器尺寸、成本和损耗之间仍然有很好的折衷。

现在、我们来讨论 MOSFET 选择的注意事项。

漏极和源极之间电压的额定

电压需要大于升压转换器上的输出

电压并大于背面的输入电压、

25%的裕度通常是可以接受的。

所以真正考虑这里的另一个裕度。

此外、还需要计算损耗、以确定损耗

是否合适、或者损耗是否可能过高、以及是否无法由系统本身处理。

理想情况下、损耗应在导通损耗

和开关损耗之间均匀分布。

从而在 MOSFET 的额定值与相应参数之间实现良好平衡。

请记住、较高的 RMS 电流会导致较大的导通损耗、

较高的栅极电荷会导致更高的开关损耗。

这张幻灯片提供了用于计算高侧降压和低侧升压

MOSFET 的控制 MOSFET 损耗的公式、也可以计算这些损耗。

例如、下图显示了

低侧升压控制 MOSFET 损耗、

以及如何根据输出电压产生不同的损耗。

那么我们在这种情况下会看到、假设输入电压为 20 伏。

在低于 20 伏的区域中、我们有降压外壳。

因此升压损耗是不可见的。

在较高的输出电压下、升压运行越多、

损耗将越高。 另外、特别是在本次讲座中、

传输损耗将达到最高的部分。

其他元件要小得多、无需考虑太多。

但是我们可以看到、根据所选的参数、

该损耗可能会发生变化、需要逐例考虑、

MOSFET 需要考虑。

同样也适用于同步 MOSFET 损耗。

在这里、我们再次看到用于计算不同损耗的公式。

因此、对于同步、它位于低侧、而在升压侧、它位于高侧。

如果我们查看下面的图表、可以看到高侧升压 MOSFET 损耗。

在这个阶段、我们在体相中仍然有 RDS ON 的损耗。

电流仍然需要通过 MOSFET。 然后、

一旦我们处于升压阶段、输出侧的电压就越高。

损耗也会增加。

在这里、我们还看到、白天损耗

和 RDS 损耗 RDS ON 损耗相当平衡。

这就是我们在选择 MOSFET 时通常要达到的目标。

现在让我们来看看

与标准功率级相比、 USB-PD 功率级更具体的方面、

因为可能只需要提供固定输出电压固定输出功率。

USB-PD 有一些额外的非常特定的要求、需要

满足。

首先、正如我们已经多次看到的、

输出电压可在工作

模式下发生变化、可扩展和动态变化。

因此、输出电压在 4V 到 45V 和 48V 之间、具体取决于支持的曲线。

输出电压阶跃为 20 毫伏。

它还需要支持 USB 的转换规范。

选择功率级的输出电压通常是。

有多个选项可用。

嗯。通常用于将电流注入反馈节点、

检测输出电压、然后重试信息、

然后将其发送回控制器以调整输出电压。

但它的非线性形式行为需要校准、

最终非常复杂。

另一种方法是使用模拟或数字控制信号、

然后将其馈入误差放大器控制环路、

并根据该信息调整输出电压。

这需要额外的控制信号（例如模拟或数字信息）来实现

这一设置。

最常用的是通过 I2C 控制输出电压的版本、

这是最简单且最常用的信息。

通常、您已经有一个控制器

来控制整个系统。

它可以通过 I2C 与

控制器通信、只需向控制器发送 I2C 命令即可

设置输出电压、然后该命令将设置输出电压。

在此方框图中、我展示了 LM 251772。 它提供了所有这些选项、

因此可以实施所有这些选项。

但通常它使用 I2C 来设置输出电压。

调节输出电压。

我们还必须考虑存在输出电容。

可能在输出端 100 或几百微法拉。

现在、当改变输出电压时、

我们可以得到非常大的浪涌电流、如所示。

此外、该输出电容器需要从输出电压 uH 上

充电或改变、到该 uH 电容器中。

这可能需要这种浪涌电流。

因此、需要使用压摆率控制来

缓慢变化或不改变输出电压。

使浪涌电流保持在受控和有限的电流量中。

USB 规范将其定义为一个参数、

需要输出电压具有 30mV/微秒的压摆率。

LM 25172 提供可编程压摆率、

不过这可以只需通过控制器中的 I2C

命令进行设置一次。

然后、用户甚至会将输出电压

从 5V 更改为 48V、 控制本身将保持

输出电压的压摆率并确保考虑此规格。

还需要限制输出电流。

这既可以用于保护、

也可以用于充电、以便维持特定的充电电流。

此外、还需要根据支持的配置文件将电流设置在 1 至 5 安培之间。

在这里、不同设置之间的步骤在实现时也

需要仅为 50 毫安。

可以使用此处所示输出路径上的电流传感器。

该传感器提供的信息反馈回控制器、

然后降低控制环路中的输出电压以保持该电流。

由于这也需要动态更改、

因此需要实现不受控制的系统、

这可以由用户或 USB 控制器进行设置。

此外、这可以通过 I2C 等方式实现、尤其是在该器件中。

也显示了 251772。 它将通过 I2C 命令置位、

然后通过修改控制环路和设置输出电压完全在内部处理、

只是为了达到定义的电压的电流、

在这种情况下保持不变。

非常特定于 USB。

PD 电源使用断开 FET、

需要它来断开 USB 连接器的大容量输出电容。

如前所述、

USB 规范要求

连接器本身只需一个 10 微法

或更低的电容器、直到

识别协商完成、器件被识别并设置为供电设备、

只有在这之后、此连接才能闭合、

连接器本身才会提供高输出电容。

为了实现这种断开连接、可以使用 MOSFET、并且通常使用 MOSFET。

有两个版本的 MOSFET（可能是 PMO 或 NMOS）、

其中 PMO 从设计中要简单得多、

但通常需要更昂贵的 MOSFET、

因为 PMO 比 NMOS 更昂贵、

并且这也对输出短路有一些限制、如所示。

然后、该 MOSFET 进入线性模式、可能会产生非常高的损耗。

由于 MOSFET 的开路电压变得非常小、

因此 MOSFET 的电阻可能非常高、并且或多或少都是如此。

这将限制电流并使 MOSFET 产生所有损耗。

更好的选择是使用 NMOS、但为此、您需要让电荷泵

来获取高于源信号的栅极信号以真正地将其泵出。

但它也有更高的效率、因为使用 NMOS 通常也

可以降低 DS 导通损耗。

如前面的幻灯片所示、

实现断开连接作为 NMOS 需要的电荷泵。

但使用外部电荷泵时、需要一些时间

积累电荷并打开 NMOS。

此外、为了对栅极和电容器进行放电、

需要在放电电阻器被禁用时对其进行放电。

当然、在本例中、

这些时间比 PMO 解决方案的时间长、但对于 USB PD 来说、

这仍然不是问题、

因为我们在有关断开连接和参数的规格

方面有很长的时间。

我还记得、这是

在连接和断开电缆的连接器时发生的。

这是一个相当慢的过程。

这也不是问题。

我们可以轻松使用 NMOS 并获得 MOS 解决方案的所有优势。

仍然在输出侧、

输出电压也需要根据 USB

电源传输规格进行放电。

只需注意、输出可能设置为 48V、

插头连接器刚刚断开并连接到另一个器件、在这种情况下、

它可能仍在输出电容器上具有 48V 电压、

器件可能会由该器件充电、

如果不支持如此高的电压、则可能会损坏。

因此、断开后、

输出需要在一定的时间内放电、

USB 规范也对此进行了规定。

此操作的最短时间为 160 毫秒。

举个例子、

如果我们的输出电压为 48V、输出电容为 550 微法拉、

然后我们需要在 160 微秒内对其放电、那么

可以得到 40 毫安的放电电流。

所以这种放电可以通过泄放电阻器来完成。

然后、我们在 48V 电压上有 14 毫安的恒定电流。

这样我们就不会得到想要获得的功率和效率数据。

我们可能需要该电源系统。

因此、对于我

在本演示中已经用过几次作为示例的 LM 25172、

可以使用内部寄存器设置输出放电。

然后、它由系统本身由控制器本身控制、

仅在需要放电的情况下启用。

因此在禁用电源时会发生这种情况。

也可以在该器件中通过 I2C 设置放电电流、

并且可以使用不同的设置

来满足 USB-PD 电力输送规范的要求。

在 USB 电力输送特定选项的最后一点、

我想谈谈电缆压降补偿。

而功率级通常直接检测功率

级末端的输出电压、并使电压保持稳定。

在 USB 上、通常连接一根电缆、

在电缆末端可能会有一些额外的 mV 100mV 压降、

尤其是电流越高、

压降越大。

如果已知此

设置、还可通过测量电流来调整功率级的输出、

即通过电缆的该压降调整功率级的输出、

然后在功率级的输出上产生更高的电压、

以便电缆的输出具有应设置的正确电压、

该电压应由系统本身提供。

因此、在系统内也可以轻松实现这一点保持、

并将其作为一项功能、能够在电缆末端而不是仅

在功率级末端提供输出电压输出功率。

一旦设计了电源并且有了第一个原型、

就需要正确检查功率级。

这项检查应包括环路稳定性、阶跃响应、自动切换模式、

针对 Apptronik 机架电流

额定值进行过冲检查以及热性能、

以确保在应用的整个运行期间稳定且一致的电源、

从而确保环路稳定性。

需要进行多项检查、尤其是此处所示的

可调输出电压。

应对所有具有最大电流的输出电压设置

以及最小标称值和最大值的输入电压进行检查。

在此处检查

RHPZ、 还要确认在所有该条件下、

带宽的交叉频率设置为两者中的较低者、

即开关频率的十分之一和 RHPZ 的至少三分之一。

确认相位裕度足够好、因此应大于

60 度、并保持–12dB 的增益裕度。

由于高功率范围。

也有相当高的电流、尤其是在输入侧。

由于存在这种高电流、您可以

在开关节点上轻松获得高下冲和过冲、并且需要正确

检查这种情况、以确保不超出器件的上行最大额定值。

例如、我们在

右侧示波器图中可以看到、在开关节点 2 处的下冲

为–10V、这很容易违反控制器的规格。

因此、在这种情况下、需要改进设计。

因此、可以重新布局、仔细检查布局、或添加或调整缓冲器

或栅极电阻器以抑制下冲。

有关如何设计缓冲器的一个好技巧是下面的链接、

该链接定义并展示了如何通过七个步骤计算 RC 缓冲器。

在这里、我们看到了使用 LM 251772

控制器左侧的功率级原理图。

在这里、我们看到功率级有四个 MOSFET、

电感器和输出电容器位于中心位置。

在右侧、我们看到一个使用该器件完成的 EVM。

在这里、我们还看到 EVM 的那个角

是控制器、还有功率级、旁边是电感器和 MOSFET。

就在这一点上、

我们看到输入和输出电容器、所有其他器件仅

用于连接和调试目的。

关键参数。 TI 提供了几种工具。

现在、该屏幕上我们会看到一个基于 Excel 的快速入门计算器工具、

它可以帮助您定义器件输入电压、输出电压

的所有设置、

然后评估需要在外部连接的各种重要参数和组件、如电感器、

传感器、电阻器、斜率、补偿

还可为您提供有关波特图以及增益和相位裕度、

环路稳定性和热损耗的信息。

这里我提供了所有器件的参考资料。

规格中使用的两个 TI EVM。

供进一步阅读。 这里还提供了一些链接、

为您提供了其他资源和其他信息。

为 USB-PD 设计功率级确实需要

支持多种功能范围和功能集。

如果您为 USB-PD

使用了正确的功率级控制器、则需要正确选择功率级元件和补偿。

它可以满足 USB 规格的许多附加要求、

并使构建该功率级变得更加容易。

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希望我能帮助您找到合适的

功率级设计资源、感谢您的关注。