Utiliser des chargeurs abaisseurs-élévateurs intégrés pour une charge USB plus rapide et des solutions de charge universelle plus compactes

L'utilisation de chargeurs de batterie universels pour les batteries lithium-ion (Li-ion) et lithium-polymère (Li-poly) avec USB 3.0 Power Delivery (PD) pour la charge nomade (OTG, on-the-go) se développe dans une large gamme d'applications, notamment les drones, les smartphones, les tablettes, les aspirateurs sans fil, les appareils médicaux portables, les haut-parleurs sans fil et les dispositifs de point de vente électroniques. Dans toutes ces applications, les concepteurs sont constamment mis au défi de réduire le temps de charge et le facteur de forme, d'augmenter la densité de puissance et de réduire le coût.

Les chargeurs de batterie abaisseurs-élévateurs combinés à USB PD peuvent permettre le développement de solutions de charge rapides, efficaces et universelles. Mais ces dispositifs sont complexes et leur conception pour qu'ils prennent en charge la spécification USB OTG peut s'avérer fastidieuse. Cela augmente les coûts et peut avoir un impact sur les délais de conception. Le processus de conception peut être davantage compliqué par la nécessité de respecter les critères de contrôle et de synchronisation USB FRS (Fast Role Swap), afin d'assurer qu'un dispositif qui fournit de l'énergie peut rapidement devenir un consommateur d'énergie pour garantir une connexion de données ininterrompue.

Pour les applications de charge universelle USB PD, les concepteurs peuvent résoudre bon nombre de ces problèmes en se tournant vers les chargeurs intégrés qui rationalisent le processus de conception et prennent en charge la mise en œuvre de solutions de charge de type abaisseur-élévateur complètes et compactes qui fournissent une haute puissance et une charge rapide avec un petit nombre de composants et une densité de puissance élevée.

Cet article aborde brièvement la nécessité d'une charge universelle basée sur USB 3.0 et USB Type-C®, ainsi que la complexité d'implémentation de solutions USB OTG et FRS à entrée universelle de type abaisseur-élévateur. Il étudie ensuite les avantages de l'utilisation d'un dispositif intégré, puis présente une solution de charge de type abaisseur-élévateur intégrée de Texas Instruments avec sélecteur d'entrée double et prise en charge USB PD 3.0 OTG et FRS. Un module d'évaluation de support pour aider les concepteurs à démarrer leur prochain projet de chargeur USB PD à entrée universelle avec des capacités OTG et FRS sera également décrit.

Complexités de la charge OTG et universelle et de FRS

En établissant un connecteur standardisé, l'USB Type-C a permis le développement d'adaptateurs CA universels et la réduction des déchets électroniques. Mais la standardisation des connecteurs n'est qu'un facteur parmi d'autres. Les appareils portables ont un nombre variable de cellules dans leurs batteries, et on constate une grande variabilité dans les puissances nominales des adaptateurs et les tensions de 5 volts (V) à 20 V. La combinaison de différentes caractéristiques d'adaptateurs et de différentes tensions de batterie signifie que l'architecture d'une solution de charge USB PD est complexe et difficile (Figure 1).

Figure 1 : La conception interne d'une solution de charge USB PD peut être complexe car elle doit prendre en compte des configurations de cellules de batterie et des tensions d'adaptateur très variables. (Source de l'image : Texas Instruments)

Tout d'abord, le contrôleur USB PD (U4) doit identifier l'adaptateur, y compris la spécification de charge batterie USB révision 1.2 (USB BC1.2), le port en aval standard (SDP), le port en aval de charge (CDP), le port de charge dédié (DCP), le port de charge dédié haute tension (HVDCP), et même les adaptateurs non standard. Après la communication entre le contrôleur USB PD et l'adaptateur, l'unité de gestion du schéma d'alimentation d'entrée et de détection du courant (U1) active des MOSFET de puissance dos-à-dos pour connecter la tension d'entrée de VBUS à l'entrée du chargeur abaisseur-élévateur (U2). L'unité de gestion du schéma d'alimentation d'entrée détecte également le courant et la tension d'entrée par l'intermédiaire de la résistance de détection pour prendre en charge la protection contre les surintensités et les surtensions.

Quatre MOSFET supplémentaires se trouvent dans l'unité de chargeur abaisseur-élévateur (U2) pour augmenter ou diminuer la tension d'entrée en fonction de la tension de la batterie. Un autre MOSFET de puissance et une résistance de détection du courant sur la sortie du chargeur abaisseur-élévateur sont nécessaires pour prendre en charge la détection du courant de charge et la gestion du schéma d'alimentation en courant continu à tension étroite (NVDC) du chargeur USB PD.

La gestion du schéma d'alimentation NVDC est un protocole de contrôle spécifique qui régule le système à une tension légèrement supérieure à celle de la batterie, et qui ne permet pas à la tension de tomber en dessous de la tension minimum du système. La tension minimum du système est le niveau de tension qui permet au système de fonctionner même lorsque la batterie est retirée ou complètement déchargée. De plus, si les besoins en énergie du système dépassent la puissance de l'adaptateur d'entrée, un mode de supplément de batterie prend en charge les besoins en énergie supplémentaires du système et empêche la surcharge de l'adaptateur.

Alimentation OTG et FRS

Pour prendre en charge l'alimentation OTG, le convertisseur CC/CC (U3) de la Figure 1 est utilisé pour décharger la batterie afin de fournir une tension régulée sur VBUS pour alimenter les dispositifs externes lorsque l'adaptateur est retiré, comme l'exige la spécification USB OTG. Si la fonction FRS est également requise, le convertisseur CC/CC doit être activé et maintenu continuellement en mode veille, même lorsqu'un adaptateur est connecté à VBUS via le port USB Type-C. Si l'adaptateur est déconnecté, les MOSFET de puissance dos-à-dos connectés au convertisseur CC/CC s'activent et connectent la sortie du convertisseur pour maintenir VBUS et activer FRS. L'inconvénient de cette approche est que le maintien du convertisseur CC/CC en veille augmente les pertes de courant de repos du système.

Chargeur abaisseur-élévateur à 1-4 cellules intégré avec USB OTG et FRS

Comme illustré, la conception d'une solution de charge USB PD universelle prenant en charge OTG et FRS peut être une tâche complexe. Pour les applications qui utilisent de 1 à 4 cellules Li-ion ou Li-poly, Texas Instruments propose le chargeur abaisseur-élévateur entièrement intégré BQ25792RQMR qui prend en charge les plages de tension OTG d'entrée et de sortie complètes pour USB Type-C et USB PD, ce qui simplifie considérablement la conception d'une solution de charge USB PD complète, y compris la prise en charge FRS (Figure 2). Un contrôleur multiplexeur d'alimentation d'entrée double en option peut prendre en charge deux sources d'alimentation d'entrée différentes : un connecteur USB Type-C au niveau de VIN1 et une source d'alimentation auxiliaire au niveau de VIN2.

Figure 2 : Le chargeur abaisseur-élévateur BQ25792 entièrement intégré simplifie la conception d'une solution de charge USB PD complète. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le BQ25792 prend en charge une large gamme d'entrées, notamment :

• Une plage de tensions d'entrée de 3,6 V à 24 V.
• Détection des adaptateurs USB BC1.2, SDP, CDP, DCP, HVDCP et non standard.
• Détection du point de puissance maximum de sources d'entrée inconnues.

Le BQ25792 intègre la détection du courant d'entrée, permettant au chargeur de réguler le courant d'entrée et de fournir une protection contre les surintensités d'entrée pour éviter de surcharger l'adaptateur. De plus, les circuits de commande et d'attaque des MOSFET de puissance dos-à-dos externes sont intégrés dans le circuit de protection contre les surtensions et les surintensités d'entrée, remplaçant les fonctions de l'unité de gestion du schéma d'alimentation d'entrée et de détection du courant (U1) de la Figure 1.

L'intégration des quatre MOSFET situés dans l'unité de chargeur abaisseur-élévateur (U2) de la Figure 1 permet au chargeur BQ25792 de prendre en charge la charge OTG. Le chargeur fonctionne en mode de charge standard lorsque l'adaptateur est présent. Si l'adaptateur est déconnecté, le flux d'alimentation est inversé, passant de la batterie à VBUS. Le BQ25792 est compatible avec la spécification complète de plage de tensions USB PD 3.0, de 2,8 V à 22 V, programmable par incréments de 10 millivolts (mV).

Nouvelle méthode de prise en charge FRS

La prise en charge de FRS sur le port USB Type-C est mise en œuvre par le biais d'une fonction appelée mode de secours qui élimine le besoin du convertisseur CC/CC (U3) de la Figure 1. Le BQ25792 prend en charge une commutation ultra-rapide de la section de chargeur abaisseur-élévateur, du mode de charge direct au mode OTG inverse, sans que la tension du bus ne tombe en dehors des spécifications.

En fonctionnement normal, l'adaptateur se connecte au BQ25792 via le port VIN1, et charge la batterie tout en alimentant le système et tout accessoire alimenté via la sortie PMID. Si l'adaptateur est déconnecté, la batterie peut encore alimenter le système, mais les accessoires connectés à la broche PMID risquent d'être privés de courant.

En mode de secours, le chargeur surveille constamment la tension VBUS. Lorsque VBUS tombe en dessous d'un seuil (indiquant la perte de l'entrée de l'adaptateur), le chargeur passe rapidement du mode de charge au mode OTG, déchargeant la batterie, régulant la tension VBUS et mettant en œuvre la fonction FRS, sans avoir besoin d'un convertisseur CC/CC supplémentaire. L'implémentation de la fonction FRS avec le mode d'alimentation de secours dans le BQ25792 garantit que les accessoires connectés à la broche PMID ne perdent pas leur alimentation lorsque la tension VBUS chute (Figure 3).

Figure 3 : L'implémentation FRS en utilisant le mode d'alimentation de secours dans le BQ25792 garantit que les accessoires connectés à la broche PMID ne perdent pas leur alimentation lorsque la tension VBUS chute. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le BQ25792 offre le choix entre une fréquence de commutation de 1,5 mégahertz (MHz) ou de 750 kilohertz (kHz) pour permettre aux concepteurs de faire un compromis entre la taille et le rendement de la solution en fonction des besoins de l'application. L'utilisation d'une fréquence de commutation de 1,5 MHz permet d'utiliser de petites valeurs de condensateur et d'inductance (1 microhenry (µH)). L'utilisation d'une fréquence de commutation de 750 kHz permet d'obtenir un rendement plus élevé mais se traduit par une solution plus volumineuse en raison de l'inductance (2,2 µH) et des condensateurs plus grands.

Pour étendre la durée de vie de la batterie et minimiser la perte de puissance, le système est mis hors tension pendant l'inactivité, l'expédition ou le stockage. En « mode expédition », l'interface I2C est toujours activée, mais l'horloge système du chargeur ralentit pour minimiser le courant de repos du dispositif. En mode normal, pour un fonctionnement sur batterie uniquement, le courant de repos est de 21 microampères (µA). En « mode expédition », le courant de repos tombe à 600 nanoampères (nA).

Pour aider les concepteurs à utiliser le BQ25792, Texas Instruments propose la carte d'évaluation (EVB) BQ25792EVM pour implémenter un chargeur abaisseur-élévateur synchrone, délivrant jusqu'à 5 A de courant de charge avec une résolution de 10 mA pour 1 à 4 cellules (Figure 4). Cette carte d'évaluation inclut une interface permettant de passer du mode charge au mode USB OTG. De plus, les utilisateurs peuvent surveiller l'état du chargeur, les tensions et les courants, ainsi que les éventuelles défaillances grâce à un convertisseur analogique-numérique (CAN) intégré.

Figure 4 : La carte d'évaluation BQ25792EVM peut être utilisée pour implémenter un chargeur abaisseur-élévateur synchrone délivrant jusqu'à 5 A de courant de charge. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les caractéristiques supplémentaires de cette carte d'évaluation incluent :

• Auto-détection USB, entrée USB PD et sans fil, prise en charge des entrées de 3,6 V à 24 V
• Sélecteur de source d'entrée double pour commander des NFET de blocage bidirectionnels
• Alimentation USB OTG avec sortie de 2,8 V à 22 V et résolution de 10 mV
• Courant de repos inférieur à 1 µA en mode arrêt/expédition
• Nombreux points de test, cavaliers et résistances de détection pour prendre en charge les mesures de tension et de courant

Conclusion

Comme illustré, la conception d'une solution de charge USB PD universelle peut s'avérer une tâche complexe, et la conception de chargeurs prenant en charge la spécification USB OTG peut prendre beaucoup de temps. De plus, le processus de conception peut être compliqué par la nécessité de respecter les critères de contrôle et de synchronisation USB FRS. Il peut en résulter des coûts supplémentaires et des délais de conception compromis.

Pour éviter cela, il existe des chargeurs abaisseurs-élévateurs intégrés qui répondent aux besoins des concepteurs d'appareils portables en matière de charge USB PD OTG, de respect des critères de contrôle et de synchronisation USB FRS, de réduction des temps de charge pour les batteries au lithium, de réduction des facteurs de forme, d'augmentation des densités de puissance, de réduction des coûts et d'accélération de la mise sur le marché.

Lecture recommandée

1. USB Type-C®, USB PD et USB 3.1 2e génération : nouvelles normes de vitesse et de puissance