通用串行总线c型(USB Type-C)提供高数据传输速率和可逆连接器，用户可以插入时不需要检查电缆的方向。Power Delivery (PD)是一种规格，可通过USB处理高达100 W的高功率电平。这是通过允许高达20伏的电压和高达5 A的电流成为可能的。
USB Type-C PD结合了两种技术——高数据传输和高功率，使得通过USB连接快速充电成为可能。在USB Type-C PD中，电流可以从一个设备双向流动到另一个设备，在电路中没有设置方向，但纯粹依赖于通过PD规范通信的设备。
USB Type-C和PD提供了一个通用的设备充电解决方案，如笔记本电脑，手机，平板电脑等，并消除了需要携带笨重的电源。本文介绍了在锂离子电池组中添加USB - c型PD的解决方案。
尽管一些主要集成电路制造商提供解决方案,很少提供完整的包,完成所需的一切USB-C PD的解决方案是包含在一个单一的集成电路。供应商像德州仪器(TI),柏树,二极管Inc .在半,模拟设备做ICs提供所需的功能实现完整的解决方案。
本文介绍了各种方法来改造USB - c型PD现有的电池组，具有充分的能力充电，放电，保护和测量。主要组件及其功能如下:
- USB-C PD芯片:该芯片与USB- c连接器接口，并通过USB Type-C连接器连接到外部USB- c PD设备。它处理与设备的所有握手和功率协商，并决定功率级别。这些信息通过控制信号或I传递到板中的其他芯片2C通信。使用的控制线的数量因芯片的不同而不同。
- 电压调节器:该芯片为USB Type-C VBUS提供所需的电压，这是由USB Type-C PD芯片协商的。电压可以是5、9、15或20伏。根据电池组的标称电压，稳压器的拓扑可以是降压、升压或降压升压。与芯片一起使用的功率元件需要被选择以处理高达100w的功率。一些电压调节器将与USB Type-C芯片上的I接口2C，并提供所需电压。其他需要按照USB Type-C芯片所需的方式来设置。在需要通过USB Type-C PD为电池组充电的应用中，该芯片必须能够允许双向电流，并能够在恒流/恒压(CC/CV)算法中调节功率来为锂离子电池充电。
假设电池管理系统(BMS)已经在电池组中提供了基本的保护和测量。
USB - c型PD芯片
多种集成电路可供选择;它们的不同之处在于协商后的电压与电压调节器的通信方式。通常，这是通过两种方式实现的:
控制信号
在这种方法中，芯片检测并协商与设备的功率，并通过控制信号通信协商的功率水平。协商的功率可以是5、9、15或20 V(表1)．该芯片还能实现从电池组到电池组的电源路径。
所使用的控制信号的数量随芯片的不同而不同。对于提供控制信号协商功率的芯片，需要一个支持的电压调节器来获取控制信号的状态并产生所需的电压水平。通常，这可以通过使用反馈电阻来改变输出电压的电压调节器来实现。在USB Type-C PD芯片和电压调节之间可以添加一个“电阻网络”(图1)．
电阻网络的作用是接收USB - c型PD芯片的控制信号，并为稳压器的反馈电阻创建等效电阻。例如，假设您正在使用LTM4609 buck-boost稳压器作为标称电压为16 V的电池组中的电压稳压器。表2显示电阻器网络必须为调压器的反馈电阻产生的电阻器值。
USB - c型PD芯片产生的控制信号对应于协商功率的例子是柏树的CCG2家人和“透明国际”的TPS65987．这种方法的优点是电压调节器的选择范围很广，并且易于测试和调试。它的缺点是有更多的组件，在PCB上需要更多的空间。
我2C接口
在这种方法中，USB Type-C PD芯片提供协商的输出电压超过I2电压调节器与I2C接口可与USB -C型PD芯片配对，产生所需的电压电平(图2)．
这种选择的例子有TI的TPS65987D与BQ25703电压调节器配对，以及Cypress的CCG2配对在半NCP81239电压调节器。一个优点是他们不需要一个电阻板，这意味着更少的组件和减少PCB空间。其缺点是选择的稳压器较少，测试和调试难度较大。
选择一个双向电压调节器允许电池组的充放电。如果你不能找到一个应用，单独的电压调节器可以用于充电和放电路径。
充电电池包在USB - c型PD
在USB - c型PD上充电锂离子电池组，使用的稳压器应该能够在CC/CV算法中调节功率。理想情况下，USB Type-C PD芯片配置为协商100 W (20 V, 5 A)从连接设备。这将使背包的充电时间最小化。该调节器需要配置为提供一个输出电压，该输出电压等于电池组的充电电压，这可能涉及从电源接收到的功率反压或增强。
此外，由于给定电池的充电电流的限制，可能无法以100瓦的功率对电池组进行充电。例如，假设电池组是使用三星18650电池的1S9P组合。电池组的充电电压为4.2 V。为了在100 W的USB - c型PD上充电，稳压器需要降压输入电压从20 V到4.2 V，从而增加流入电池的电流到大约24 A。设计者需要选择稳压器和它的接口组件能够携带电流。对于保护部件，如保险丝、开关等电源路径上的其他部件，也是如此。
根据电池的数据表，本例中每个电池的充电电流不应超过2 A，导致电池组的最大充电电流仅为18 A——小于24 V。这可以通过限制稳压器的输出电流来实现。通过调整过充电流(OCC)和短路充电(SCC)的设置，使BMS不会随着电流的增大而触发保护。
通过USB - c型PD对电池组放电
当外部设备尝试从USB Type-C PD上的Pack绘制高电流时，必须注意确保细胞寿命不会受到不利影响。让我们参加上一个例子的1S9P电池组。如果设备从包装中协商20V，则调节器将包装电压从3.6 V（标称值）升压到20 V.对于包装以提供100W，需要从细胞中汲取28 A的电流，这使得它来自每个细胞约3.1 a。这需要小于细胞的最大放电电流，在这种情况下，根据单元格的数据表在8A中。
如前所述，需要选择组件来允许这种级别的电流流。过流放电(OCD)和短路放电(SCD)的BMS设置也需要相应地调整。
总结
多种解决方案可用于添加USB - c型PD电池包。文章中提到的芯片是一些建议——这取决于设计师做出正确的选择。在IC选择的组件、复杂性和灵活性方面，这些选项各不相同。仔细选择组件、理解所需的接口和集成组件是获得有效解决方案的关键。
Anvin Joe Manadan是一名高级电气工程师Inventus权力．
