如何設(shè)計寬輸入電壓范圍、雙通道USB端口充電器？

在自然災(zāi)害或長時間停電等緊急情況下，找到電源來給手機或其他USB通信設(shè)備充電可能很困難。使用交流電源工作的充電器無處不在，但當(dāng)電網(wǎng)不可用，并且最后的USB電池備用充電器系統(tǒng)電源耗盡時，還有什么其他方法可以為關(guān)鍵的USB供電設(shè)備充電？

CN-0509可將5 V至100V的各種直流電源轉(zhuǎn)換為5 V、2 A穩(wěn)壓電源，進而通過雙通道USB A型插座為USB充電設(shè)備充電。

有兩個輸出端口可供使用，一個讓USB D+和D?信號保持開路，用于一般充電；另一個含有USB DCP控制器，使大多數(shù)制造商的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高電流充電模式。兩個端口可以同時使用。但是，最大總負載電流為2 A。

該設(shè)計使用高效率、降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器（LTC7103，支持直通操作）與隔離型反激式轉(zhuǎn)換器(LT8302)的組合。這種配置既有降壓轉(zhuǎn)換器的高功效比和寬工作范圍特性，又有反激式轉(zhuǎn)換器的隔離和出色的穩(wěn)壓性能。

CN-0509電源輸入級如圖2所示。高壓肖特基二極管和保險絲保護電路免受反向電源連接和過流狀況的影響。

圖2. 輸入電壓保護電路

兩個LED指示輸入電源，綠光表示極性正確，紅光表示反向連接。如果出現(xiàn)紅光LED，則必須將輸入連接反向才能使電路工作。雖然可以使用橋式整流器來支持以任一極性工作，但額外的400 mV壓降會提高最小工作電壓，當(dāng)從較低電壓源（例如太陽能電池板或堿性電池單元）充電時，這可能是一個問題。

在電路的整個工作范圍內(nèi)，一個有源恒流驅(qū)動器電路維持LED電流，使其亮度變化極小。兩個電路串聯(lián)連接，但極性相反（參見圖3）。

圖3. 極性指示

施加電源時，電流流過R1，進而接通晶體管Q3。電流然后流過Q3的發(fā)射極、LED和R2。隨著通過R2的電流增大，R2兩端的電壓也增大。一旦R2上的壓降達到晶體管Q1的基極到發(fā)射極電壓（VBE，約為0.7 V），Q1便導(dǎo)通。由此導(dǎo)致的流過R1的電流降低Q1的基極驅(qū)動，從而有效限制LED的電流。在11 V至100 V的電壓范圍，此反饋環(huán)路將綠光LED和紅光LED的電流分別維持在大約2.41 mA和2.432 mA。

電源輸入電路之后是LTC7103同步降壓轉(zhuǎn)換器。相比于電流能力類似的線性穩(wěn)壓器，降壓轉(zhuǎn)換器或降壓型開關(guān)模式電源可在一個小型封裝中有效地降低直流電壓，功耗很低，功率密度則很高。

直流輸入先經(jīng)由總計4.8 μF的電容濾波和旁路，再進入降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端。LTC7103隨后將12 V至105 V的寬輸入電壓有效地降低到12 V的穩(wěn)壓輸出電壓(VOUT)，同時以300 kHz開關(guān)頻率(fSW)提供高達2.3 A的輸出電流。

圖4. 12 V VOUT和不同輸入電壓條件下的效率

LTC7103 有一個可選的精密內(nèi)部反饋分壓器，因而無需外部精密電阻。VPRG1和VPRG2引腳的數(shù)字狀態(tài)將輸出電壓設(shè)置為1.0 V到15 V之間的九個固定選項中的一個。注意，CN-0509將VPRG1引腳綁定到INTVCC引腳，并讓VPRG2引腳保持開路，從而將輸出設(shè)置為12 V。

當(dāng)輸入電壓在4.4 V和12 V之間時，CN-0509利用LTC7103的特性以直通模式工作（參見圖5）。LTC7103之后的隔離式反激級針對12 V進行了優(yōu)化，但在低至5 V的電壓也能以降低的輸出電流能力工作。直通操作允許電路盡可能長時間地繼續(xù)工作，哪怕應(yīng)急電源的電壓開始下降也無妨。

圖5. 4.4 V < VIN < 12 V的直通操作

LTC7103的架構(gòu)提供了對短路狀況的固有防護，無需折回輸出電流或振蕩器頻率。這種保護之所以可能，是因為脈沖寬度調(diào)制(PWM)比較器持續(xù)接收來自平均電流放大器的電感電流信息。這導(dǎo)致在短路狀況下自動以周期跳躍方式工作，否則如果頂部開關(guān)的最短導(dǎo)通時間過長，將無法在最高開關(guān)頻率下保持對電感電流的控制。典型限流操作如圖6所示。

圖6. LTC7103典型限流操作

降壓級之后是微功耗非光學(xué)隔離型反激式轉(zhuǎn)換器LT8302。LT8302通過對初級側(cè)反射波形進行采樣來間接檢測輸出電壓，從而保持調(diào)節(jié)，而無需光耦合器或在耦合電感上使用第三檢測繞組。

在這種應(yīng)用中，隔離是必不可少的，因為臨時電源的極性和接地連接可能不清楚，或者對于充電應(yīng)用設(shè)計本來就是不正確的。?48 V電信電源是一個常見例子（參見圖7）。

圖8. 5 V VOUT時的典型最大輸出功率

USB已成為設(shè)備充電的實際標(biāo)準(zhǔn)，典型充電器可提供的電流已超過500 mA USB 2.0規(guī)范。充電器必須在USB數(shù)據(jù)線上提供特殊的電壓簽名，以便讓設(shè)備識別自身，并確定它可以從電源獲得的最大充電電流，這可以高于500 mA的最低標(biāo)準(zhǔn)。

U3是一個DCP控制器，監(jiān)視USB數(shù)據(jù)線電壓（D+和D?），并提供簽名以支持幾家常見設(shè)備制造商的快速充電模式（參見圖9）。雖然兩個端口可以同時使用（最大總負載電流為2 A），但當(dāng)使用DCP端口時，建議斷開另一個端口。

圖9. USB專用充電端口控制器

請注意，USB線纜的質(zhì)量參差不齊。較長的小規(guī)格電纜可能導(dǎo)致負載處的電壓大幅下降。

對于12 V到100 V之間的任何輸入電壓，CN-0509幾乎保持恒定操作，這是因為隔離轉(zhuǎn)換器的輸入處于恒定的12 V。較低輸入電壓會降低可用充電電流，如圖10所示。

圖10. 最大負載電流與輸入電壓的關(guān)系

CN-0509能夠耐受高達100 V的反向輸入連接。圖11顯示CN-0509的反向輸入與LTC7103 VIN的關(guān)系。

圖11. LTC7103 VIN與VIN的關(guān)系

圖12顯示，在12 V以上的輸入電壓，由于負載電流從0.1 A增加到2 A，CN-0509的負載調(diào)整幅度在65 mV內(nèi)，相應(yīng)的輸出電阻約為32.3 mΩ。

圖12. VOUT與負載電流(ILOAD)的關(guān)系

圖13和圖14分別顯示了手機（電話A）和USB移動電源（移動電源B）的電流和USB數(shù)據(jù)線的CN-0509導(dǎo)通瞬態(tài)曲線。

圖13. 電話A充電的ILOAD、D+和D?電壓

圖14. 移動電源B的總線電壓(VBUS)、D+和D?電壓

圖15顯示了CN-0509以5.62 V、2 A給一個負載充電一小時的熱響應(yīng)，電路板水平放置在工作臺上并處于靜止空氣中，環(huán)境溫度為25°C。EVAL-CN0509-EBZ板上的最高溫度出現(xiàn)在D3二極管上(83.8 °C)，遠低于150°C的最大工作溫度。

圖15. EVAL-CN0509-EBZ的熱圖像， 以5.62 V、2 A輸出給一個負載充電一小時

有關(guān)CN-0509的完整設(shè)置詳情和其他信息，參見 CN0509用戶指南。

需要以下設(shè)備：