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技術(shù)專題
將USB Type-C PD添加到鋰離子電池組
C型通用串行總線（USB C型）提供高數(shù)據(jù)傳輸率和可逆連接器，用戶無(wú)需檢查電纜的方向即可插入。Power Delivery（PD）是一種規(guī)范，可通過(guò)USB處理高達(dá)100 W的高功率電平。通過(guò)允許高達(dá)20 V的電壓和高達(dá)5 A的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
USB Type-C PD結(jié)合了兩種技術(shù)-高數(shù)據(jù)傳輸和高功率-使得可以通過(guò)USB連接為設(shè)備快速充電。在USB Type-C PD中，電流可以從一個(gè)設(shè)備流向另一設(shè)備，而電流在電路中沒(méi)有設(shè)定方向，而是完全取決于通過(guò)PD規(guī)范通信的設(shè)備。
USB C型和PD型USB為筆記本電腦，電話，平板電腦等設(shè)備提供了通用的充電解決方案，并且無(wú)需攜帶笨重的電源。本文介紹了將USB Type-C PD添加到鋰離子電池組的解決方案。
雖然一些主要的IC制造商提供解決方案，但很少有提供完整的封裝，而完整的USB-C PD解決方案所需的一切都包含在單個(gè)IC中。
本文介紹了將USB Type-C PD改造為具有完整充電，放電，保護(hù)和測(cè)量功能的現(xiàn)有電池組的各種方法。主要組件及其功能是：
USB-C PD芯片：該芯片與USB-C連接器接口，并通過(guò)USB Type-C連接器連接到外部USB-C PD設(shè)備。它處理與設(shè)備的所有握手和電源協(xié)商，并確定電源級(jí)別。該信息通過(guò)控制信號(hào)或I 2 C通信傳遞到板上的其他芯片。使用的控制線數(shù)隨芯片的不同而不同。
穩(wěn)壓器： 此芯片為USB Type-C VBUS提供所需的電壓，該電壓已由USB Type-C PD芯片協(xié)商確定。電壓可以為5、9、15或20V。根據(jù)電池組的標(biāo)稱電壓，調(diào)節(jié)器的拓?fù)淇梢允墙祲?，升壓或降?/span>-升壓。需要選擇與芯片一起使用的功率組件，以處理高達(dá)100 W的功率。某些穩(wěn)壓器將通過(guò)I 2與USB Type-C芯片接口C并提供所需的電壓。其他設(shè)置方式需要提供USB Type-C芯片所需的電源。在需要通過(guò)USB Type-C PD為電池組充電的應(yīng)用中，芯片必須能夠允許雙向電流，并且能夠以恒定電流/恒定電壓（CC / CV）算法調(diào)節(jié)功率以進(jìn)行充電鋰離子電池。
假定電池管理系統(tǒng)（BMS）已在電池組中提供了基本保護(hù)和計(jì)量。
USB Type-C PD芯片
有各種IC可供選擇；它們?cè)趨f(xié)商電壓傳送到穩(wěn)壓器的方式上有所不同。通常，這可以通過(guò)兩種方式完成：
控制信號(hào)
在這種方法中，芯片檢測(cè)并與設(shè)備協(xié)商功率，并通過(guò)控制信號(hào)傳達(dá)協(xié)商的功率水平。協(xié)商的電源可以為5、9、15或20 V （表1）。該芯片還實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出電池組的電源路徑。
所使用的控制信號(hào)的數(shù)量隨芯片而異。對(duì)于提供經(jīng)過(guò)協(xié)商的控制信號(hào)功率的芯片，需要一個(gè)支持的穩(wěn)壓器來(lái)獲取控制信號(hào)的狀態(tài)并生成所需的電壓電平。通常，這可以通過(guò)使用反饋電阻器來(lái)改變輸出電壓的穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢栽?/span>USB Type-C PD芯片和穩(wěn)壓器之間添加一個(gè)“電阻網(wǎng)絡(luò)” （圖1）。
1.此解決方案使用USB Type-C PD芯片，該芯片通過(guò)控制信號(hào)傳遞協(xié)商電壓
電阻器網(wǎng)絡(luò)的作用是從USB Type-C PD芯片獲取控制信號(hào)，并為穩(wěn)壓器的反饋電阻器創(chuàng)建等效電阻。例如，假設(shè)您使用LTM4609降壓-升壓型穩(wěn)壓器作為標(biāo)稱電壓為16 V的電池組中的穩(wěn)壓器。表2列出了電阻網(wǎng)絡(luò)必須為穩(wěn)壓器的反饋電阻生成的電阻值。
賽普拉斯的 CCG2系列和TI的 TPS65987等都是USB Type-C PD芯片，它們產(chǎn)生與協(xié)商的功率相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電壓調(diào)節(jié)器選項(xiàng)范圍廣泛，并且易于測(cè)試和調(diào)試。它確實(shí)具有缺點(diǎn)，即具有更多的組件并需要更多的PCB空間。
I 2 C接口
在這種方法中，USB Type-C PD芯片可在I 2 C 上提供經(jīng)過(guò)協(xié)商的輸出電壓。具有I 2 C接口的穩(wěn)壓器可與USB Type-C PD芯片配對(duì)以生成所需的電壓電平（圖2）。 2）。
2.此處，USB Type-C PD芯片通過(guò)I2C通信傳遞協(xié)商電壓
例如，TI的TPS65987D與BQ25703穩(wěn)壓器配對(duì)，賽普拉斯的CCG2與ON Semi的 NCP81239穩(wěn)壓器配對(duì)。他們不需要電阻板的優(yōu)勢(shì)，這意味著更少的組件和更少的PCB空間。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的選擇較少，并且測(cè)試和調(diào)試更加困難。
選擇雙向穩(wěn)壓器可以對(duì)電池組進(jìn)行充電和放電。如果找不到適合的應(yīng)用，則可以將單獨(dú)的穩(wěn)壓器用于充電和放電路徑。
通過(guò)USB Type-C PD為電池組充電
要通過(guò)USB Type-C PD為鋰離子電池組充電，所用的電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠以CC / CV算法調(diào)節(jié)功率。理想情況下，USB Type-C PD芯片配置為從連接設(shè)備協(xié)商100 W（20 V，5 A）。這樣可以很大程度地減少包裝的充電時(shí)間。穩(wěn)壓器需要配置為提供等于電池組充電電壓的輸出電壓，這可能涉及對(duì)從電源接收的功率進(jìn)行降壓或升壓。
另外，由于給定電池的充電電流的限制，可能無(wú)法以100 W的功率對(duì)電池組充電。例如，假設(shè)電池組是使用Samsung 18650電池的1S9P組合。電池組的充電電壓為4.2V。要通過(guò)USB Type-C PD以100 W對(duì)電池組充電，調(diào)節(jié)器需要將輸入電壓從20 V降壓至4.2 V，從而將流入電池的電流增加至大約24 A.設(shè)計(jì)人員需要選擇調(diào)節(jié)器及其接口組件，以承載電流。這同樣適用于保護(hù)組件，例如保險(xiǎn)絲，開(kāi)關(guān)和電源路徑上的其他組件。
在此示例中，根據(jù)電池的數(shù)據(jù)表，每個(gè)電池的充電電流不應(yīng)超過(guò)2 A，從而使電池組的最大充電電流僅為18 A，低于24V。這可以通過(guò)限制電池的輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)器。需要對(duì)過(guò)充電電流（OCC）和短路充電（SCC）的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以使BMS不會(huì)隨著電流的增加而激活保護(hù)功能。
通過(guò)USB Type-C PD為電池組放電
當(dāng)外部設(shè)備試圖通過(guò)USB Type-C PD從電池組吸收大電流時(shí)，必須小心確保電池壽命不會(huì)受到不利影響。讓我們以1S9P電池組的先前示例為例。如果設(shè)備從電池組協(xié)商20 V，則穩(wěn)壓器將電池組電壓從3.6 V（標(biāo)稱值）升至20V。為使電池組提供100 W，需要從電池芯汲取28 A的電流，每個(gè)電池約3.1A。這需要小于電池的最大放電電流，在這種情況下，根據(jù)電池的數(shù)據(jù)手冊(cè)，該電流為8A。
如前所述，需要選擇組件以允許此電流水平。還需要相應(yīng)調(diào)整過(guò)電流放電（OCD）和短路放電（SCD）的BMS設(shè)置。