為新 USB-C 應用進行電池充電

USB Type-C 充電越來越受到消費者的歡迎，因為只要使用同一條 USB Type-C 線，即可方便地為許多家居用品充電。USB Type-C 甚至不斷擴展以支援更高功率的應用，例如電動工具與電動自行車。如 圖 1 中所示，USB Type-C 過去使用標準電源範圍 (SPR) 支援高達 100 W 功率，現在在延伸功率範圍 (EPR) 下則可支援最高 240 W。

圖 1 USB 電源傳輸 (PD) 範圍。

在能從不同類型 USB Type-C 電源 (包含 SPR 和 EPR) 進行充電的目標背後，也帶來可支援 USB Type-C PD EPR 整個電壓範圍的應用程式設計挑戰。想像一下採用五芯鋰離子 (Li-ion) 電池和 USB Type-C 輸入設計的吹葉機。由於電池為鋰離子電池，因此每個電池單元的完全充電電壓為 4.2 V，代表電池組的電壓 (V_BATT) 在完全充電時的電壓爲 21 V。吹葉機的擁有者可使用許多 USB 壁式轉接器，但此範例中假設他們有 45 或 140 W USB Type-C 壁式轉接器，代表輸入電壓 (V_IN) 到電池充電器的電壓可以是 15 V 或 28 V。接下來的問題，則是如何滿足這些要求：

• 當 V_IN > V_BATT 或 V_IN < V_BATT 時，請爲電池充電。
• 請儘快爲電池充電，以縮短充電時間。
• 充電過程中請保持吹葉機涼爽卻，以防止過熱。
• 在具有不同電池芯數的不同平台上使用單一充電器 IC。

能夠滿足每項需求的元件，是具備外部切換場效應電晶體 (FET) 的降壓升壓電池充電控制器。充電器的降壓升壓部分有助於滿足第一個要求：V_IN >V_BATT 或 V_IN < V_BATT。電池充電器使用四個 FET 和一個電感器 (如 圖 2 中配置所示)，可在 V_IN > V_BATT 時以降壓模式運作 (如 圖 3 所示)，並在 V_IN < V_BATT 時以升壓降壓模式運作 (如 圖 4 所示)。

外部 FET 可幫助滿足第二項要求。選擇外部 FET 可提升熱性能，並透過更高的充電電流能力幫助縮短充電時間。此外，外部 FET 在充電過程中也提供更大的散熱面積。基於這些原因，外部金屬氧化半導體 FET 降壓升壓電池充電器讓應用能夠處理新的 USB PD EPR 等級，並幫助提供快速充電體驗。

圖 2 降壓升壓充電控制器的全橋配置。

圖 3 VIN > VBATT 時的降壓模式配置。Q1 和 Q2 開啟和關閉，Q3 關閉而 Q4 開啟。

圖 4 VIN < VBATT 時的升壓模式配置。Q3 和 Q4 開啟和關閉，Q2 關閉而 Q1 開啟。