作者：Kyle Lawrence
USB Type-C是一種相對較新的高功率USB外設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)和便攜式電子設(shè)備。USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)推動了USB供電規(guī)范的改變，不同于長期存在的5 V USB標(biāo)準(zhǔn)，Type-C標(biāo)準(zhǔn)的總線電壓最高可達(dá)20 V，電流輸送能力最高可達(dá)5 A。連接的USB-C設(shè)備可以相互識別并協(xié)商總線電壓——從默認(rèn)5 V USB輸出到幾個(gè)更高的預(yù)設(shè)電壓等級，以便在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的電池充電和更高的功率輸送（最高可達(dá)100 W）。
電池充電器中使用的簡單緊湊型降壓調(diào)節(jié)器和線性穩(wěn)壓器，僅需要5 V、500 mA至2 A的USB供電，并未充分覆蓋全部Type-C USB電源范圍。Type-C USB電源增加的電壓范圍（5 V至20 V），需要的不僅僅是9 V至36 V（或60 V）汽車電池或其他充電電源的降壓轉(zhuǎn)換，還需要一個(gè)可調(diào)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以便能夠同時(shí)對輸入至輸出電壓進(jìn)行升壓和降壓。
此外，對于高功率汽車USB充電器，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)支持10 A或更高峰值開關(guān)電流額定值，并提供低EMI性能。將開關(guān)頻率設(shè)置在AM無線電頻帶之外并使解決方案保持小尺寸的能力是頗受追捧的特性。高壓單片轉(zhuǎn)換器（帶片上開關(guān)）不能承受如此高的峰值開關(guān)電流而不燒毀。
LT8390A 是一款獨(dú)特的2 MHz同步四開關(guān)降壓-升壓控制器。在2 MHz 開關(guān)頻率時(shí)，它可提供5 V至15 V的輸出電壓（3 A時(shí)最高45 W），以通過汽車電池為USB-C設(shè)備供電。如此高的控制器開關(guān)頻率使得解決方案尺寸很小，帶寬很高，并且AM無線電頻帶之外的EMI很低。擴(kuò)頻調(diào)頻和低EMI電流檢測架構(gòu)均有助于LT8390A應(yīng)用通過CISPR 25 Class 5級EMI標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格考驗(yàn)。
高功率密度轉(zhuǎn)換：尺寸（和功率）、效率、熱量
在汽車或便攜式電子設(shè)備環(huán)境中工作的電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，受到電路的空間需求以及工作時(shí)產(chǎn)生的熱量的限制。在給定設(shè)計(jì)約束條件下工作時(shí)，以上兩個(gè)因素決定了可實(shí)現(xiàn)功率水平的上限。
提高設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率允許使用較小的電感，而這常常是寬輸入電壓四開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中尺寸最大的元件。與150 kHz或400 kHz設(shè)計(jì)相比，LT8390A的2 MHz開關(guān)頻率能力支持使用尺寸小得多的電感。圖1顯示了一個(gè)完整設(shè)計(jì)。除了較小的電感外，該解決方案僅使用陶瓷型輸出電容，無需使用體積較大的電解電容。該設(shè)計(jì)所需的全部元器件（包括IC）都包含在一個(gè)1平方英寸的小型電路板上，如圖1所示。
圖1. 1平方英寸大小的高效率、低EMI USB Type-C電源解決方案。
圖2顯示了一個(gè)采用符合AEC標(biāo)準(zhǔn)的元器件的45 W LT8390A解決方案。該設(shè)計(jì)相比環(huán)境溫度的最高溫升為65°C，如圖3所示。盡管解決方案尺寸很小，但LT8390A系統(tǒng)在提供45 W輸出時(shí)的峰值效率可達(dá)94%；在全輸入范圍內(nèi)，對于所產(chǎn)生的每個(gè)輸出電壓，效率偏差小于10%，如圖4中的圖表所示。
圖2. 這款LT8390A穩(wěn)壓器解決方案采用符合AEC標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET、磁性元件和電容，提供最高3 A電流和可選的5 V、9 V或15 V低EMI輸出。
圖3. 在產(chǎn)生45 W輸出功率的同時(shí)，該小型電路的最大溫升僅比環(huán)境溫度高65°C。
圖4. 利用汽車SLA電池供電時(shí)，對于全輸出電壓，LT8390A穩(wěn)壓器系統(tǒng)保持94%至84%的效率。
適合汽車應(yīng)用的低EMI
LT8390A具有多種獨(dú)特的降低EMI的特性，可實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換和低噪聲性能，從而簡化其在汽車系統(tǒng)中的實(shí)施。LT8390A與其他四開關(guān)控制器之間的顯著差異在于電感電流檢測電阻的位置。大多數(shù)四開關(guān)降壓-升壓控制器往往使用接地基準(zhǔn)電流檢測方案來獲得開關(guān)電流信息，而LT8390A將其電流檢測電阻與電感串聯(lián)。通過將檢測電阻與電感串聯(lián)，便可有效地將電阻從降壓和升壓熱環(huán)路中移除，從而縮小環(huán)路尺寸并改善EMI性能。
除了電感檢測電阻位置的架構(gòu)優(yōu)勢外，LT8390A還內(nèi)置擴(kuò)頻調(diào)頻功能以進(jìn)一步降低控制器產(chǎn)生的EMI。此外，降壓和升壓功率開關(guān)的邊沿速率僅使用幾個(gè)分立元件來控制，以減緩MOSFET的導(dǎo)通，確保在降低功率開關(guān)的高頻EMI與溫升之間達(dá)成適當(dāng)?shù)钠胶�。憑借這些降低EMI的特性，滿足CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)所需的唯一濾波器由輸入和輸出上的小型鐵氧體濾波器提供，而不是大型鐵氧體外殼和粗笨的LC濾波器。圖1所示的解決方案采用符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的元器件設(shè)計(jì)。
輸出電壓的無縫轉(zhuǎn)換
LT8390A的輸出電壓可以在不關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的情況下進(jìn)行調(diào)整，方法是使用邏輯電平信號來驅(qū)動MOSFET，從而調(diào)節(jié)輸出端的電阻分壓器以改變設(shè)定電壓。帶GPIO引腳的USB PD源控制器可與LT8390A系統(tǒng)配合使用，為主機(jī)和USB連接設(shè)備之間的協(xié)商過程提供便利，并設(shè)置所需的總線電壓。
圖5顯示了LT8390A系統(tǒng)輸出從一個(gè)輸出電壓非常平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換到另一個(gè)輸出電壓。當(dāng)從12 V輸入電源供電時(shí)，從數(shù)字控制信號的上升沿開始測量，每次轉(zhuǎn)換到更高輸出電壓最多需要150μs就能穩(wěn)定。在輸出電壓改變期間，降壓-升壓控制器經(jīng)歷降壓、升壓和降壓-升壓操作之間的模式轉(zhuǎn)換，具體取決于輸入與輸出電壓的關(guān)系。這些模式轉(zhuǎn)換以受控方式執(zhí)行，防止輸出電壓過度過沖或下降。
圖5. LT8390A系統(tǒng)輸出在5 V、9 V和15 V輸出之間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，同時(shí)向輸出端連續(xù)輸送功率。
擴(kuò)展到45 W以上
要將輸出功率水平提高到45 W以上，需要以較低開關(guān)頻率工作，以便降低開關(guān)損耗，否則這種功率水平可能會給MOSFET帶來熱應(yīng)力。作為LT8390A的替代產(chǎn)品，LT8390的工作頻率介于150 kHz和600 kHz之間，具有與LT8390A相同的特性組合，可實(shí)現(xiàn)低EMI、高功率降壓-升壓設(shè)計(jì)。采用較大電感和輸出電容的400 kHz LT8390系統(tǒng)，可輕松利用汽車電池輸入實(shí)現(xiàn)100 W的輸出功率，溫升在可接受范圍內(nèi)。圖6顯示了各種電池供電輸入下LT8390A和LT8390產(chǎn)品線的功率能力。
圖6. LT8390A和LT8390涵蓋了USB供電的各種輸出功率等級。
結(jié)論
針對為連接設(shè)備供電的穩(wěn)壓器的新USB標(biāo)準(zhǔn)，支持通過增加穩(wěn)壓器可提供的輸出電壓范圍和電流輸送來實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸。便攜式和汽車電池供電的USB-C充電器設(shè)備需要一種寬VIN/VOUT降壓-升壓穩(wěn)壓器，以便輸送高于或低于輸入電壓的總線電壓。2 MHz開關(guān)頻率使LT8390A可以提供最高45 W的輸出功率，解決方案尺寸很小。對于超過45 W的功率水平，可以使用LT8390，不過解決方案尺寸會略微增大，開關(guān)頻率會降低。
