【導讀】智能手機、平板電腦和超薄筆記本等新型電池供電移動設備所要求的輕薄特性，讓 USB Type-C 充電接口成為便攜式設備制造商的更佳選擇，并被廣泛采納。而歐盟委員會 (EC) 更是于 2022 年 6 月頒布了一項指令，要求下一代便攜式設備均兼容 USB Type-C 充電連接器，以盡量減少電子垃圾。
與傳統的 micro-USB 和 USB Type-A 端口相比，USB Type-C 端口憑借多項優勢助力實現穩健的系統設計，例如更高功率、更小尺寸、雙向充/放電能力，并且支持任一方向插入。
不過，實現 USB Type-C 端口還需要額外的組件。圖 1 顯示了 USB Type-C 充電系統的傳統架構，通常包括用于 CC1/CC2 通信的 Type-C CC 控制器、用于實現輸入過壓保護 (OVP) 的 VBUS 保護器、用于給 CC 控制器供電的低壓差 (LDO) 穩壓器以及用于電源管理的雙向充電器。
圖 1: USB Type-C 端口的傳統架構
由圖 1 可見，USB Type-C 系統較為復雜。對不需要 USB 供電 (PD) 通信能力的 15W 以下的應用而言，全功能的 USB PD 控制器性價比較低。本文提出的集成解決方案采用 MP2722 規避了傳統 USB Type-C 架構的缺點，并進一步簡化了設計過程。MP2722 是一款單電池充電芯片，它將 USB Type-C 充電系統所需的組件都集成在單個芯片中。
采用 MP2722 實現集成型解決方案
集成型 USB Type-C 電池管理解決方案可在節省空間的同時降低系統復雜性。MP2722 是一款適用于鋰離子或鋰聚合物電池的 5A 單電池窄電壓直流 (NVDC) 降壓充電芯片，它集成了 USB Type-C 雙角色端口 (DRP) 檢測功能。除了功率 MOSFET，MP2722 還集成了一個 DRP CC 控制器，可分別為輸入或 CC 引腳提供高達 26V 和 22V 的絕對最大輸入電壓 (VIN)，因此無需為 VBUS 和 CC 引腳提供外部 OVP。
如圖 2 所示為采用 MP2722 實現的 15W USB Type-C DRP 方案典型應用電路，該方案僅需一個電感和幾個電阻、電容。
圖 2: 15W、集成型 USB Type-C DRP 解決方案
在不需要微控制器 (MCU) 的情況下，MP2722 還可作為獨立器件工作，所有參數均由一次性可編程 (OTP) 存儲器單元配置。
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，這與傳統的 USB Type-A 和 Type-B 端口不同。 根據 USB Type-C 規范，接收端口應在 CC1 和 CC2 引腳上提供一個下拉電阻（Rd），通常為 5.1kΩ，源端口應在 CC 引腳上根據源電流能力提供一個上拉電阻（Rp）。Rp 可等效為上拉電流源。DRP 端口支持源端口或者接收端口，也就是說，Rp 和 Rd 應在兩個 CC 引腳上定期切換。表 1 顯示了源模式下的 Rp 需求。
表 1: 源模式下的 Rp 需求
當兩個 USB Type-C 連接器連接之后，其中一個 CC1 或 CC2 引腳通過 USB Type-C 電纜中的 CC 通道連接。通過監控 CC 引腳上的 Rp 和 Rd值，USB Type-C 設備可以檢測連接了源端還是接收端，并在接收模式下根據不同的 Rp 值設置適當的輸入電流限制 (IIN_LIM)。
圖 3 顯示了通過 USB C 到 USB C 電纜連接源端和接收端的模型，其中，Ra 表示未施加電源 (VCONN) 時電纜上的電子標簽（E-mark IC）電阻。
圖 3：USB Type-C 上拉/下拉模型(1)
傳統電纜
傳統電纜是一端帶 USB Type-C 連接器、另一端帶 USB Type-A 連接器的電纜。這種電纜可實現 USB Type-C 產品和 USB Type-A 產品之間的互操作性。由于 USB Type-A 端口上沒有 CC 引腳，因此 USB Type-C 連接器中的 CC1 和 CC2 引腳應通過一個 56kΩ 的電阻上拉至 VBUS 引腳，以維持其 500mA 的默認電流能力。然后，接收端口可遵循其他協議，例如 USB 電池充電規范 1.2 (BC1.2)，汲取超過 500mA 的電流。
不同端口的 DRP 操作
MP2722 單電池充電器集成了 USB Type-C Source/Sink 檢測算法，并支持 DRP 切換功能，以在源模式和接收模式之間自動切換。圖 4 顯示了 USB Type-C DRP 端口的狀態機，其中 vOpen 是指源端 CC 引腳的開路閾值，vRa 指配件連接到 CC 引腳時的電壓。
圖 4：DRP 模式(1)
為避免兩個 DRP 端口相互連接的隨機結果，MP2722 支持 Try.SRC 和 Try.SNK 模式，當 USB Type-C 端口連接到另一個未啟用 Try.SRC 或 Try.SNK 的DRP 端口時，USB Type-C 端口可分別作為源和接收器運行。當 USB Type-C 設備主要用作源端（例如充電寶中的 DRP 端口）或接收端（例如手機中的 DRP 端口）時，該功能很有用。
圖 5 顯示了帶 Try.SRC 功能的 USB Type-C DRP 模式。
圖 5：DRP 模式(1)帶 Try.SRC 功能
圖 6 顯示了帶 Try.SNK 功能的 USB Type-C DRP 模式。
圖 6：帶 Try.SNK 功能的 DRP 模式(1)
注釋：
1. 圖片來源：USB Type-C 規范 R2.2
MP2722 的其他關鍵特性
除了支持 USB Type-C DRP 操作外，MP2722 還具備其他重要特性，例如傳統電纜檢測、BC1.2 兼容和濕度檢測。下面將詳細介紹這些特性。
傳統電纜檢測
如果采用標準 USB C 到 USB C 電纜，CC1 或 CC2 引腳連接之后，源端將需要 100ms 至 200ms 的抗尖峰脈沖時間來導通 VBUS 輸出。但傳統電纜沒有這個抗尖峰脈沖時間，VBUS 始終處于啟用狀態。MP2722 可以檢測它是否連接到了傳統電纜，并通過中斷信號通知主機。
BC1.2 兼容
根據 USB Type-C 規范，傳統電纜必須通過一個56kΩ 電阻將其 CC 引腳上拉至 VBUS。這意味著，即使適配器可以支持更高的輸出電流 (IOUT) 能力，在應用了 CC 檢測的情況下，接收器也只可以汲取最大 500mA 的電流。MP2722 支持 BC1.2 檢測，以從源端汲取更高的電流，并縮短充電時間。
濕度檢測
USB 連接器中的濕氣隨著時間的推移可能產生腐蝕，從而導致連接器引腳開路或短路。在未連接電源時，MP2722 可通過 在 VBUS 上提供電流來測試 USB Type-C 端口的輸入阻抗。如果在連接器中檢測到濕氣，主機可以提醒用戶采取進一步的措施。
采用 MP2722 實現的 15W、DRP USB Type-C 解決方案原型
圖 7 顯示了 EV2722-RH-00A 評估板，該板為 15W、DRP USB Type-C 電池管理解決方案的原型。
圖 7：采用 MP2722 實現的 15W、DRP USB Type-C 解決方案原型
電感(L1)為 1μH，可通過公式 (1) 計算：
其中 VIN 為 5V，系統電壓 (VSYS) 為 3.7V，開關頻率 (fSW) 為 1MHz，電感電流紋波 (ΔIL_MAX) 為 5A x 20%。
輸入和輸出電容可吸收高頻開關電流紋波。對于MP2722，輸入電容（CIN）為1μF，PMID電容（CPMID）為10μF，系統電容（CSYS）為20μF，電池電容（CBATT）為20μF。
在未連接電源或接收器時，CC1 和 CC2 的波形如圖 8 所示。MP2722 在 80ms 的時間段內切換 Rp 和 Rd。
圖 8：MP2722 的 CC1 和 CC2 DRP 波形
圖 9 顯示了在 DRP 模式下、連接電源或負載時的波形。其中 MP2722 設置為 DRP 模式，無 Try.SRC 或 Try.SNK 模式，電池電壓 (VBATT) 為 4V，接收模式下充電電流 (ICC) 為 2A，源模式下 IOUT 限流值為 3A，并且 CC1 引腳連接到 USB Type-C 電纜的 CC 通道。圖 9a 為連接 5V/3A 電源 (Rp) 時的波形，圖 9b 為連接了 1A 負載 (Rd) 時的波形。
圖 9: DRP 模式下連接電源或負載時的波形
圖 9a 顯示了當 MP2722 的 CC 引腳切換至 Rd 時，電源接通。連接的電源檢測到 MP2722 上的 Rd ，則啟用輸出，然后 MP2722 開始充電。圖 9b 顯示了當 MP2722 的 CC 引腳切換至 Rp 時，接收器接通。MP2722 一旦檢測到外部 Rd，就會在 150 毫秒的抗尖峰脈沖時間后啟用輸出。請注意，如果電池電流（IBATT）為負，則表示電池正在放電。
圖 10 顯示了當 MP2722 連接到另一個 DRP 端口，且 Try.SNK 或 Try.SRC 模式啟用時的波形。
圖 10：MP2722 連接到另一個 DRP 端口時的 Try.SNK 和 Try.SRC 波形
如圖 10a 所示，當啟用了 Try.SNK 的 MP2722 連接到另一個 DRP 端口時（更多信息請參見圖 6）將發生以下情況：一旦 MP2722 連接到外部 Rd，即進入等待狀態。接下來，MP2722 進入 Try.SNK 狀態，并通過 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，MP2722 充當接收器為電池充電。 如圖 10b 所示，當啟用了 Try.SRC 的 MP2722 連接到另一個 DRP 端口時（更多信息請參見圖 5）將發生以下情況：一旦 MP2722 連接到外部 Rp，即進入等待狀態，直到檢測到 VIN。然后，MP2722 通過 Rp 上拉 CC1 和 CC2，從而啟動 Try.SRC。當外部端口檢測到 MP2722 上的 Rd 消失，它會關閉輸出并通過 Rd 拉低 CC1 和 CC2。最后，一旦 MP2722 檢測到外部 Rd，即啟用輸出并作為源端工作。 請注意，IBATT 為負表示電池正在放電。
結語
與傳統的分立式方案相比，采用 MP2722 這樣的單電池充電器設計的集成電池管理解決方案需要的外部元器件更少，這將有效減小 PCB 尺寸，簡化設計流程，并縮短設計周期。MP2722 還提供傳統電纜檢測、BC1.2 兼容和連接器濕度檢測等高級功能，以實現更高的系統兼容性與安全性。這些功能使 MP2722 非常適合構建低成本、15W、雙角色 USB Type-C 充電解決方案。
來源：MPS
作者：Noah Zhang
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