提出一种新的USB-C简化设计架构 并全面支持所有USB-C功能

USB-C接口正在彻底改变电子设备的充电方式。USB-C连接线无论哪一端都能连接智能手机或超级本。物理上，C型连接器既是双向的（无论线缆的哪一端都能插入两头的设备），也是无极性的（连接器插入时可以正面朝上，也可以反面朝上）。在协商过程中，连接系统可以电子地分辨出电极性。除了数据传输，USB-C还能支持更高功率水平的双向功率传输。默认电压为5V，USB-C端口能够与插入的设备协商，在双方同意的电流水平上，将端口电压提高到20V，或双方同意的其他电压值。USB-C端口提供的最大功率为100W（20V/5A），这用来给笔记本电脑充电已经绰绰有余了。优势如此明显，也就不难理解为什么电子设备制造商纷纷在其下一代产品中采用USB-C了。

随着USB PD和USB-C得到越来越多的采用，计算机行业对稳压器的性能提出了明显更高的要求。与电压值固定的传统USB-A和USB-B端口相比，USB-C端口是双向的，接受可变输入电压，输出电压范围为5V至20V。其可调节输出电压允许笔记本电脑和其他移动设备用USB-C端口替代传统AC/DC电源适配器和USB-A和B端子。考虑到这些优势，一些客户在其系统中设计了两个或多个USB-C端口。

不过，目前具有两个或多个USB-C端口的系统架构很复杂，不能满足很多客户的要求。本白皮书提出了一种全新的系统架构，该架构采用瑞萨电子的ISL95338降压-升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器。我们将讨论这种架构如何简化设计，并全面支持所有USB-C功能。我们还将说明这种架构如何应用到适配器端，以实现可编程电源（PPS），这种电源可以输出可调节电压，以匹配USB-C的可变输入电压。

一种新的USB-C架构

图1显示了一种新的USB-C架构，该架构由ISL95338双向降压-升压稳压器和ISL95521A组合式电池充电器或ISL9238降压-升压电池充电器组成。这种新架构允许系统通过USB-C端口给电池充电，当两个PD充电器插入USB-C_1和USB-C_2时，还支持快速充电功能。无需额外复杂的端口控制逻辑威廉希尔官方网站 或IC，该架构的两个端口就可全面支持USB 3.1 On-The-Go（OTG）。

图1. 瑞萨电子电池充电器架构 – 双USB-C端口，采用两个降压-升压稳压器和一个降压充电器

比较图1和图2很容易看出，要实现与瑞萨电子电池充电器架构相同的功能和性能水平，市场上现有的电池充电器架构需要更多器件和复杂的外部威廉希尔官方网站 。显然，使用现有的电池充电系统，每个充电器通路都需要一个USB-PD控制器来控制2个ASGATE并执行充电功能，这提高了设计的系统成本。为了实现5V降压OTG，OTG门还需要一个PD控制器。注意，现有的降压转换器只能输出单一固定电压。图2显示，如果使用5V降压转换器，设计工程师只能输出一个固定5V电压，这与很多USB-C应用要求的可调5V-20V OTG输出电压不匹配。

图2. 现有电池充电器架构 - 单一降压-升压充电器+复杂的外部逻辑威廉希尔官方网站

本文提出的瑞萨电子架构克服了所有这些缺点。图1显示，两个ISL95338并联，将两个USB-C端口连接到ISL95521A电池充电器。简化了系统架构，为客户节省了大量成本，因为去掉了不少元件，包括各个PD控制器、ASGATE和OTG GATE。最重要的是，使用了更少的元件但并未降低性能。例如，如果电池需要充电，那么就直接从USB-C输入向ISL95521A供电。此外，将两个ISL95338并联，可为客户应用提供更多选择。

例如，可以采用具有不同额定功率的两个USB-C输入来实现大功率电池充电，这意味着，电池充电功率高于单个USB-C输入功率。图1说明了这是如何实现的：在电压回路中放置一个ISL95338（设定为较高额定功率的USB-C）为ISL95521A输入提供恒定电压（V0），另外在电流回路中放置一个ISL95338（设定为较低额定功率的USB-C），自动为ISL95521A提供最大功率。换言之，无需增加额外的威廉希尔官方网站 或逻辑来决定两个并联的ISL95338降压-升压稳压器的不同额定功率。

可以基于不同的额定功率自动选择ISL95338内部的控制回路，来充分利用输入电源。针对OTG功能，电池电源可通过二极管提供，用ISL95338将功率传输至USB-C输出。从而不再需要5V降压和OTG门，如图2所示。此外，通过在两个ISL95338、ISL95521A和PD控制器之间使用SMBus通信，OTG电压可以调节，而不是使用固定值。图3显示了一种大功率快速充电应用，其中，新的瑞萨电子电池充电架构可以进行扩展，可以将4个ISL95338与一个ISL95521A或ISL9238电池充电器并联。每个USB-C端口都可以作为汇（sink）或源（source）独立运行。该架构还可以将传统适配器作为电源结合到系统中，而不提高物料成本。

图3. 实现4个USB-C端口的瑞萨电子电池充电器架构 - 4个降压-升压稳压器+1个降压充电器

可编程电源解决方案

在传统的USB-A和USB-B应用中，输入电压是固定值，这给USB-C应用带来了新的挑战，因为USB-C端口还可以接受可变输入电压。解决办法是可编程电源（PPS）功能，这种功能允许电源的输出电压和电流以20mV/50mA步进编程和调节，以优化电源通路。如图4所示，ISL95338降压-升压稳压器非常适合用于实现PPS，因为该稳压器可以利用USB-PD控制器的SMBus通信，输出可调的双向电压。

图4. 新型瑞萨电子 PPS架构

结论

将ISL95338用在多端口USB-C电池充电系统中，可实现一种新的、易于使用的充电架构。与现有的充电架构相比，瑞萨电子的新架构能够以低很多的成本实现，而且提供更高的性能、更快速的充电和更长的电池寿命。此外，所有USB-C端口要求都能完全满足，包括能实现PPS，这是未来应用需要增加的关键USB功能之一。