将USB Type-C PD添加到锂离子電(diàn)池组

2020-06-16

C型通用(yòng)串行总線(xiàn)（USB C型）提供高数据传输率和可(kě)逆连接器，用(yòng)户无需检查電(diàn)缆的方向即可(kě)插入。Power Delivery（PD）是一种规范，可(kě)通过USB处理(lǐ)高达100 W的高功率電(diàn)平。通过允许高达20 V的電(diàn)压和高达5 A的電(diàn)流来实现这一点。

USB Type-C PD结合了两种技术-高数据传输和高功率-使得可(kě)以通过USB连接為(wèi)设备快速充電(diàn)。在USB Type-C PD中，電(diàn)流可(kě)以从一个设备流向另一设备，而電(diàn)流在電(diàn)路中没有(yǒu)设定方向，而是完全取决于通过PD规范通信的设备。

USB C型和PD型USB為(wèi)筆(bǐ)记本電(diàn)脑，電(diàn)话，平板電(diàn)脑等设备提供了通用(yòng)的充電(diàn)解决方案，并且无需携带笨重的電(diàn)源。本文(wén)介绍了将USB Type-C PD添加到锂离子電(diàn)池组的解决方案。

虽然一些主要的IC制造商(shāng)提供解决方案，但很(hěn)少有(yǒu)提供完整的封装，而完整的USB-C PD解决方案所需的一切都包含在单个IC中。

本文(wén)介绍了将USB Type-C PD改造為(wèi)具有(yǒu)完整充電(diàn)，放電(diàn)，保护和测量功能(néng)的现有(yǒu)電(diàn)池组的各种方法。主要组件及其功能(néng)是：

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(lǐ)与设备的所有(yǒu)握手和電(diàn)源协商(shāng)，并确定電(diàn)源级别。该信息通过控制信号或I 2 C通信传递到板上的其他(tā)芯片。使用(yòng)的控制線(xiàn)数随芯片的不同而不同。

稳压器： 此芯片為(wèi)USB Type-C VBUS提供所需的電(diàn)压，该電(diàn)压已由USB Type-C PD芯片协商(shāng)确定。電(diàn)压可(kě)以為(wèi)5、9、15或20V。根据電(diàn)池组的标称電(diàn)压，调节器的拓扑可(kě)以是降压，升压或降压-升压。需要选择与芯片一起使用(yòng)的功率组件，以处理(lǐ)高达100 W的功率。某些稳压器将通过I 2与USB Type-C芯片接口C并提供所需的電(diàn)压。其他(tā)设置方式需要提供USB Type-C芯片所需的電(diàn)源。在需要通过USB Type-C PD為(wèi)電(diàn)池组充電(diàn)的应用(yòng)中，芯片必须能(néng)够允许双向電(diàn)流，并且能(néng)够以恒定電(diàn)流/恒定電(diàn)压（CC / CV）算法调节功率以进行充電(diàn)锂离子電(diàn)池。

假定電(diàn)池管理(lǐ)系统（BMS）已在電(diàn)池组中提供了基本保护和计量。

USB Type-C PD芯片

有(yǒu)各种IC可(kě)供选择；它们在协商(shāng)電(diàn)压传送到稳压器的方式上有(yǒu)所不同。通常，这可(kě)以通过两种方式完成：

控制信号

在这种方法中，芯片检测并与设备协商(shāng)功率，并通过控制信号传达协商(shāng)的功率水平。协商(shāng)的電(diàn)源可(kě)以為(wèi)5、9、15或20 V （表1）。该芯片还实现了进出電(diàn)池组的電(diàn)源路径。

所使用(yòng)的控制信号的数量随芯片而异。对于提供经过协商(shāng)的控制信号功率的芯片，需要一个支持的稳压器来获取控制信号的状态并生成所需的電(diàn)压電(diàn)平。通常，这可(kě)以通过使用(yòng)反馈電(diàn)阻器来改变输出電(diàn)压的稳压器来实现。可(kě)以在USB Type-C PD芯片和稳压器之间添加一个“電(diàn)阻网络” （图1）。

1.此解决方案使用(yòng)USB Type-C PD芯片，该芯片通过控制信号传递协商(shāng)電(diàn)压

電(diàn)阻器网络的作用(yòng)是从USB Type-C PD芯片获取控制信号，并為(wèi)稳压器的反馈電(diàn)阻器创建等效電(diàn)阻。例如，假设您使用(yòng)LTM4609降压-升压型稳压器作為(wèi)标称電(diàn)压為(wèi)16 V的電(diàn)池组中的稳压器。表2列出了電(diàn)阻网络必须為(wèi)稳压器的反馈電(diàn)阻生成的電(diàn)阻值。

赛普拉斯的 CCG2系列和TI的 TPS65987等都是USB Type-C PD芯片，它们产生与协商(shāng)的功率相对应的控制信号。这种方法的优点是電(diàn)压调节器选项范围广泛，并且易于测试和调试。它确实具有(yǒu)缺点，即具有(yǒu)更多(duō)的组件并需要更多(duō)的PCB空间。

I 2 C接口

在这种方法中，USB Type-C PD芯片可(kě)在I 2 C 上提供经过协商(shāng)的输出電(diàn)压。具有(yǒu)I 2 C接口的稳压器可(kě)与USB Type-C PD芯片配对以生成所需的電(diàn)压電(diàn)平（图2）。 2）。

2.此处，USB Type-C PD芯片通过I2C通信传递协商(shāng)電(diàn)压

例如，TI的TPS65987D与BQ25703稳压器配对，赛普拉斯的CCG2与ON Semi的 NCP81239稳压器配对。他(tā)们不需要電(diàn)阻板的优势，这意味着更少的组件和更少的PCB空间。缺点是稳压器的选择较少，并且测试和调试更加困难。

选择双向稳压器可(kě)以对電(diàn)池组进行充電(diàn)和放電(diàn)。如果找不到适合的应用(yòng)，则可(kě)以将单独的稳压器用(yòng)于充電(diàn)和放電(diàn)路径。

通过USB Type-C PD為(wèi)電(diàn)池组充電(diàn)

要通过USB Type-C PD為(wèi)锂离子電(diàn)池组充電(diàn)，所用(yòng)的電(diàn)压调节器应能(néng)够以CC / CV算法调节功率。理(lǐ)想情况下，USB Type-C PD芯片配置為(wèi)从连接设备协商(shāng)100 W（20 V，5 A）。这样可(kě)以很(hěn)大程度地减少包装的充電(diàn)时间。稳压器需要配置為(wèi)提供等于電(diàn)池组充電(diàn)電(diàn)压的输出電(diàn)压，这可(kě)能(néng)涉及对从電(diàn)源接收的功率进行降压或升压。

另外，由于给定電(diàn)池的充電(diàn)電(diàn)流的限制，可(kě)能(néng)无法以100 W的功率对電(diàn)池组充電(diàn)。例如，假设電(diàn)池组是使用(yòng)Samsung 18650電(diàn)池的1S9P组合。電(diàn)池组的充電(diàn)電(diàn)压為(wèi)4.2V。要通过USB Type-C PD以100 W对電(diàn)池组充電(diàn)，调节器需要将输入電(diàn)压从20 V降压至4.2 V，从而将流入電(diàn)池的電(diàn)流增加至大约24 A.设计人员需要选择调节器及其接口组件，以承载電(diàn)流。这同样适用(yòng)于保护组件，例如保险丝，开关和電(diàn)源路径上的其他(tā)组件。

在此示例中，根据電(diàn)池的数据表，每个電(diàn)池的充電(diàn)電(diàn)流不应超过2 A，从而使電(diàn)池组的最大充電(diàn)電(diàn)流仅為(wèi)18 A，低于24V。这可(kě)以通过限制電(diàn)池的输出電(diàn)流来实现。调节器。需要对过充電(diàn)電(diàn)流（OCC）和短路充電(diàn)（SCC）的设置进行相应的调整，以使BMS不会随着電(diàn)流的增加而激活保护功能(néng)。

通过USB Type-C PD為(wèi)電(diàn)池组放電(diàn)

当外部设备试图通过USB Type-C PD从電(diàn)池组吸收大電(diàn)流时，必须小(xiǎo)心确保電(diàn)池寿命不会受到不利影响。让我们以1S9P電(diàn)池组的先前示例為(wèi)例。如果设备从電(diàn)池组协商(shāng)20 V，则稳压器将電(diàn)池组電(diàn)压从3.6 V（标称值）升至20V。為(wèi)使電(diàn)池组提供100 W，需要从電(diàn)池芯汲取28 A的電(diàn)流，每个電(diàn)池约3.1A。这需要小(xiǎo)于電(diàn)池的最大放電(diàn)電(diàn)流，在这种情况下，根据電(diàn)池的数据手册，该電(diàn)流為(wèi)8A。

如前所述，需要选择组件以允许此電(diàn)流水平。还需要相应调整过電(diàn)流放電(diàn)（OCD）和短路放電(diàn)（SCD）的BMS设置。