基于RTQ7880車(chē)載USB快速充電器的設(shè)計(jì)

易勇帆，胡錫勝，黃銳景，陳志勇，文冬，李用

(廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣東廣州 511447)

0 引言

目前汽車(chē)上配備的USB充電口，大多只支持DCP 5 V/1.5 A、Apple 5 V/2.4 A和Samsung 5 V/2 A，少量車(chē)型配備了5 V/3 A的Type-C接口。但是市場(chǎng)上越來(lái)越多的手機(jī)支持快充技術(shù)，普通充電速度已經(jīng)不能滿(mǎn)足如今快節(jié)奏的消費(fèi)人群。為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的便攜式智能設(shè)備的快充需求，提供高安全性、高負(fù)載的通用USB接口電源是以后的必然趨勢(shì)。文中提出了一種基于RTQ7880車(chē)載USB快速充電器的設(shè)計(jì)，支持PD3.0快充協(xié)議，最大功率支持20 V/3 A。

1 RTQ7880簡(jiǎn)介和PD協(xié)議介紹

1.1 RTQ7880簡(jiǎn)介

RTQ7880-QT是將USB-C端口控制器、PD(Power Delivery)協(xié)議處理器、Buck-Boost控制器和眾多功能集成在一起的集成電路，可以作為USB PD電源供應(yīng)器來(lái)使用。其內(nèi)置ARM CortexTM-M0 MCU，可完成各種不同的協(xié)議收發(fā)處理，完成Buck-Boost轉(zhuǎn)換器的智能控制，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能和用戶(hù)指定的功能。所實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能是以硬件為基礎(chǔ)的，可進(jìn)行電感峰值電流限制、VBUS過(guò)壓保護(hù)、VO欠壓保護(hù)、VCONN電流限制等，響應(yīng)速度快，即使在MCU不活動(dòng)時(shí)也能實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。所形成的USB-PD供電端解決方案功能完善、性能卓越、外圍組件少，PCB設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易。

1.2 USB-PD快充協(xié)議介紹

PD協(xié)議最初只支持5、9、15、20 V 4種電壓，目前的PD3.0協(xié)議添加了可編程電源(Programmable Power Supply,PPS)的功能，電壓不再是單一的固定值，而是電壓、電流以一定的步距進(jìn)行調(diào)節(jié)，支持的3個(gè)擋位范圍分別為3.3～11 V、3.3～16 V、3.3～21 V，對(duì)應(yīng)的功率限制為27 W、45 W和60 W/100 W。電壓、電流都具備精準(zhǔn)調(diào)節(jié)能力，電壓為20 mV/級(jí)，電流為50 mA/級(jí)。USB PD的PPS功能可以用于直充以及支援電壓折半的直充應(yīng)用中，現(xiàn)已分別被收納入聯(lián)發(fā)科的PE4.0和高通的QC4.0充電標(biāo)準(zhǔn)中[1]。

2 基于RTQ7880快充方案在汽車(chē)上的應(yīng)用

2.1 基于RTQ7880芯片快充實(shí)現(xiàn)方案

此方案主要包括一個(gè)Type-C接口模塊和一個(gè)Type-A接口模塊。由于該模塊Type-C接口支持20 V/3 A，Type-A接口最大支持9 V/2 A輸出，輸入端選取Q1 MOS管作為防反保護(hù)器件。

Type-C接口選取RTQ7880芯片作為升降壓控制器和外置的4個(gè)MOS、一個(gè)電感構(gòu)成升降壓電路。LDO為DC-DC轉(zhuǎn)換器，將汽車(chē)的電池電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V給RTQ7880供電。熱敏電阻NTC1部分電路實(shí)現(xiàn)采集車(chē)載USB充電器局部溫度，在PCB布局時(shí)，設(shè)計(jì)者會(huì)將NTC1熱敏電阻放在關(guān)鍵發(fā)熱的位置，內(nèi)部集成的ARM CortexTM-M0 MCU根據(jù)反饋的電壓判斷電路板的發(fā)熱情況，再結(jié)合過(guò)溫保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保USB充電器穩(wěn)定輸出。MOS管Q6防止外部灌流。當(dāng)需要支援非Type-C的傳統(tǒng)USB應(yīng)用時(shí)，RTQ7880含有的DP/DM線(xiàn)檢測(cè)能力可以派上用場(chǎng)，它能識(shí)別出符合BC1.2、0C2.0、QC3.0和Apple標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)[2]。

EMI電路有防反、浪涌保護(hù)等功能；Type-C快充部分含外置的熱敏電阻，內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)溫度采集，起到熱保護(hù)作用； Type-A接口和Type-C接口信號(hào)線(xiàn)DP、DM、CC1、CC2都設(shè)有ESD保護(hù)電路；輸出端采用固液混合電容，能承受高紋波電流，穩(wěn)定性更高； Type-C接口可實(shí)現(xiàn)后續(xù)協(xié)議軟件升級(jí)。

Type-A接口選取MPS公司的MPQ4482作為核心芯片，此模塊作為目前車(chē)載USB充電器過(guò)渡接口，雖然支持PD3.0協(xié)議的Type-C接口是未來(lái)的必然趨勢(shì)，但是市場(chǎng)上還有很多存量的Type-A充電設(shè)備。支持BC1.2、Samsung 5V/2A、Apple和QC3.0的充電協(xié)議。USB充電器原理如圖1所示。

圖1 USB充電器原理

2.2 H橋升降壓實(shí)現(xiàn)過(guò)程

(1)降壓過(guò)程：Q4 MOS開(kāi)關(guān)管始終導(dǎo)通，Q5 MOS開(kāi)關(guān)管始終關(guān)閉。過(guò)程1，MOS管Q2導(dǎo)通，Q3斷開(kāi)，輸入電源Ui通過(guò)電感L1向待充電設(shè)備提供電能，通過(guò)電感的電流IL會(huì)線(xiàn)性增大，電能會(huì)以磁能的形式儲(chǔ)存在電感L1中，當(dāng)電流慢慢增大到大于輸出電流Io后，電解電容CE1會(huì)進(jìn)入充電狀態(tài)。過(guò)程2，MOS管Q3打開(kāi)，Q2斷開(kāi)，電感L1向負(fù)載提供電能，當(dāng)電流慢慢減小到小于輸出電流Io后，電解電容CE1開(kāi)始進(jìn)入放電狀態(tài)。過(guò)程1和過(guò)程2合起來(lái)為一個(gè)周期，假設(shè)周期為T(mén)，過(guò)程1時(shí)間為ton，過(guò)程2時(shí)間為toff，則T=ton+toff。過(guò)程1的時(shí)間與周期時(shí)T的比值為D，由伏秒特性原理可以得出(Ui-Uo)DT=Uo(1-D)T,得到Uo=DVi[3]。

(2)升壓過(guò)程：Q2 MOS管始終導(dǎo)通，Q3始終斷開(kāi)。過(guò)程3，MOS管Q4斷開(kāi)，Q5導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)電感L1的電流IL線(xiàn)性增大，電能會(huì)以磁能的形式儲(chǔ)存在電感L1中，此時(shí)電解電容CE1為負(fù)載提供電能。過(guò)程4，MOS管Q4導(dǎo)通，Q5斷開(kāi)，輸入電源和電感L1儲(chǔ)存的電能同時(shí)向負(fù)載提供電能，這樣就達(dá)到升壓效果，這時(shí)電解電容就處于充電狀態(tài)。過(guò)程3和過(guò)程4合起來(lái)為一個(gè)周期，假設(shè)周期為T(mén)，過(guò)程3時(shí)間為ton，過(guò)程4時(shí)間為toff，則T=ton+toff。過(guò)程3的時(shí)間ton與周期T的比值為D，由伏秒特性原理可以得出UiT=Uo(1-D)T,得到Uo=Ui/(1-D)。

2.3 過(guò)溫保護(hù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

RTQ7880的軟件更新通過(guò)對(duì)其MTP存儲(chǔ)器內(nèi)容的更新實(shí)現(xiàn)。利用I2C橋接工具連接計(jì)算機(jī)和RTQ7880的方法，通過(guò)發(fā)送特定的I2C命令即可經(jīng)D+/D-線(xiàn)完成對(duì)RTQ7880 MTP存儲(chǔ)器的更新。假如是在一個(gè)使用了RTQ7880的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可以通過(guò)一個(gè)連接器連接至與RTQ7880相連的I2C總線(xiàn)對(duì)其固件進(jìn)行更新。

圖2是一個(gè)過(guò)溫保護(hù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，函數(shù)放在1 ms循環(huán)中。通過(guò)熱敏電阻檢測(cè)指定位置的溫度Temp，處理器RTQ7880進(jìn)行邏輯判斷，降功率輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

圖2 算法流程

2.4 長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)难a(bǔ)償調(diào)節(jié)

由于可以提供更高的功率為平板、筆記本等計(jì)算機(jī)設(shè)備供電，車(chē)內(nèi)后排的乘客多半也會(huì)使用這樣的充電器為它們的設(shè)備供電，這將導(dǎo)致新的問(wèn)題：大電流通過(guò)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)膲航凳呛芸捎^的。RTQ7880 解決這種問(wèn)題的做法是其預(yù)留了具有9 個(gè)級(jí)別的纜線(xiàn)壓降補(bǔ)償功能，它能根據(jù)實(shí)際的電流大小對(duì)輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使最終的電纜末端電壓在任何電流下都不會(huì)超出±50 mV 的誤差。

3 結(jié)論

基于立锜RTQ7880-QT和MPS MPQ4482芯片的車(chē)載USB充電模塊配備Type-A和Type-C接口，支持最新的PD3.0協(xié)議，向下兼容BC1.2、Apple 2.4A、Samsung 5 V/2 A和QC3.0等協(xié)議。具有輸出短路保護(hù)、輸出過(guò)載保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)功能。

Type-C接口相比傳統(tǒng)Type-A接口，具有充電速度快、傳輸速率高，并且支持USB-PD快充協(xié)議的特點(diǎn)。生活中越來(lái)越多的智能手機(jī)、筆記本、平板等設(shè)備都使用Type-C接口，PD協(xié)議又是全球公認(rèn)的快充協(xié)議，所以配備支持PD協(xié)議的Type-C接口將是未來(lái)的必然選擇，該方案在未來(lái)也有很大的市場(chǎng)價(jià)值。