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充电用 Buck 转换器实现 CV/CC 控制的方法
发布时间:2021-05-18
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充电用 Buck 转换器实现 CV/CC 控制的方法
发布时间:2021-05-18
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进入主题之前,先介绍一张原理图及其涉及到的器件,我们的主题也将以其中用到的核心器件的特性为蓝本。如果你要设计带有 USB-C 型接口的电子设备,同时需要这个接口能识别各种不同的设备来源并以正确的方式向其供电或对其内部电池进行充电,参考一下这幅图就是很有价值的。

图中的核心元件 RTQ2115C 由 C 型 USB 下行端口控制器、充电端口控制器、USB 2.0 高速数据线开关及 36V、3.5A 同步 Buck 转换器共同组成,它可对使用 USB-C 型接口的设备接入事件进行检测并安排对其实施供电操作,完全符合当下的应用发展方向。当符合 USB 2.0 BC1.2 和信产部 YD/T1591-2009 标准以及采用 Divider3 及 1.2V 模式的设备接入时,它可通过数据线的 D+/D- 对其进行检测并自动判定其遵守的规格,自动安排与其规格相符的供电操作以实现其充电过程,这一特性使其可以和历史上曾经出现过的绝大部分便携式设备兼容,使你的设计具有极其普遍的适应性。

RTQ2115C 内含的同步 Buck 转换器可在 3V~36V 的输入电压范围内工作,最高可以耐受 42V 的电压冲击。其额定工作频率为 2.1MHz,可接受 300kHz~2.2MHz 的外来同步信号控制其工作节奏。当其以自身时钟作为工作频率的来源时,一个外来的逻辑信号即可控制其进入频谱扩展工作模式,可大大减轻电磁兼容问题的处理难度,这种模式下的工作频率将在 2.1MHz~2.1MHz+6% 的范围内随机跳动。负载很轻时,其工作模式可选择为 PSM 或 FPWM,可分别满足高效率和高输出电压调整率的应用需求。其输出采用 CC/CV 控制方式,轻载时工作于 CV 模式,重载时进入 CC 模式,非常符合充电应用的需求,同时还能用缆线压降补偿功能对长线传输带来的电压降进行补偿,避免在负载端的电压出现波动现象。

RTQ2115C 的引脚布置是经过 FMEA 即失效模式及其影响分析的结果,相邻引脚出现短路时具有特别的保护功能可避免出现冒烟、燃烧等严重问题。其封装引脚具有侧面可润湿能力,焊接时流动的焊接材料可以将其侧面也包裹住,可对焊接可靠性的提高带来帮助,同时也方便用光电检测法自动发现焊接问题。
RTQ2115C 实际上是针对车用电子设备的应用需求开发的,已经通过了AEC-Q100 Grade 1 认证,可在 -40℃~125℃ 的环境温度范围内可靠工作。
下面就来谈谈 RTQ2115C 内含 Buck 转换器是如何实现 CC/CV 控制及缆线压降补偿的。

这是实现 CC/CV 控制及缆线压降补偿所涉及到的应用电路原理图。
R1 和 R2 构成的输出电压取样电路获得的反馈电压 VFB 被送入电压误差放大器后与参考电压进行比较,其误差经放大处理后转化为一个电流输出对 COMP 端的电压进行调节,所得电压再与一个与时钟信号同步的三角波进行比较得到控制开关动作的 PWM 信号,最后即可得到一个稳定的输出电压,CV 控制就这样完成了。
CC 即恒流控制是在负载电流超过预设的电流限制时用一个可控的电流源对上述控制回路中的 COMP 电压进行强行的限制,使其随着输出电流的上升而变得越来越低,完全不管输出电压的高低。这种行为在负载电流没有超限时是不会发生的,因此和 CV 控制一点也不会有冲突。在上图所示电路中,RSENSE 就是这样的输出电流取样电阻,CSP/CSN 内部连接的是一个使用 100mV 参考电压为比较对象的误差放大器,其输出在下图中被引入了 Control Logic 部分,我们可以将其想象为就是和 CV 控制回路的 COMP 节点连接在一起的,但是其作用远比 CV 控制误差放大器的作用更强,能使 CV 控制误差放大器的输出完全不起作用。

现在说说缆线压降补偿是如何实现的。当负载电流 IOUT 流过电阻  RSENSE 时会形成一个电压差 VCS = RSENSE x IOUT,此电压差经过内部电路处理后形成一个电流 ILC(µA) = 21 x ( VCS – 0.00476 ),它们两者之间的关系如下图所示:

此电流经过电压反馈电阻网络上端电阻 R1 处理后会给输出电压加入一个偏移量 VO_OFFSET = ILC x R1 = 21 x ( RSENSE x IOUT – 0.00476 ) x 10-6 x R1,使输出电压会随着负载电流的上升而自动上升,但在负载连接端的电压是基本维持不变的,因为这个偏移量的指标是根据负载线的特性而提出来的。所以,实际的设计过程需要首先给出偏移量指标,然后根据下式计算出 R1 的值:

其中的 IOUT 就是应用中会出现的最大负载电流,RSENSE 则是这个最大负载电流流经电阻 RSENSE 时能产生 100mV 压降的电阻值。
最后再根据空载输出电压值 VOUT、恒压控制的反馈参考电压值 VREF_CV = 0.8V 及刚刚得到的 R1 计算出反馈电阻 R2 的值:

RSENSE 在应用中会流过大电流,选择参数时需要考虑其功率耗散能力,具体的计算公式就不在这里涉及了,使用时还必须考虑其富余量以确保安全。
本文涉及到的所有公式在 RTQ2115C 的规格书里均有出现,有问题的读者可以进一步参考之以获取第一手信息,点击文末的阅读原文可快速抵达。

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