1.前言

之前一篇文章討論的那樣，使用開(kāi)關(guān)電阻器控制USB Type-C 電力傳輸 (PD) 和無(wú)線充電應(yīng)用的輸出電壓 (V OUT ) 。這篇文章將介紹另一種需要較少組件和信號(hào)線的不同方法，稱為調(diào)制電壓編程。

2.調(diào)制電壓編程

我們可能還記得第一部分 中的開(kāi)關(guān)電阻器需要三個(gè)開(kāi)關(guān)電阻器支路和三個(gè)控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生 USB Type-C PD 應(yīng)用所需的四個(gè)電壓。每個(gè)開(kāi)關(guān)電阻支路還需要一個(gè)電阻-電容 (RC) 延遲來(lái)控制開(kāi)關(guān)速度，以防止誤觸發(fā)四開(kāi)關(guān)升降壓控制器的過(guò)壓保護(hù) (OVP) 功能。實(shí)際的硬件需要許多額外的組件，而且該解決方案可能看起來(lái)很麻煩，并且可能不容易適應(yīng)緊湊的設(shè)計(jì)。在這種情況下，我們可能需要采用不同的方法來(lái)減少組件的數(shù)量。

圖 1 顯示了一個(gè)示例，其中調(diào)制電壓源 (V C ) 改變了反饋 (FB) 引腳電壓。因此，公式 1 確定了 V OUT：

其中 V REF是控制器誤差放大器參考電壓。減少或增加 V C將分別向上或向下調(diào)整 V OUT。

微處理器控制 V C電平有兩種方法。第一種是使用集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），第二種是直接使用微處理器產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。

圖 1 ：使用調(diào)制電壓源調(diào)整 V OUT

3.通過(guò) DAC 控制電壓

USB Type-C PD 和無(wú)線充電器系統(tǒng)通常有一個(gè)帶有內(nèi)部 DAC 的微處理器。如果它沒(méi)有內(nèi)部 DAC，則可以使用外部 DAC，例如 TI 的DAC43401或者DAC53401。如圖 2 所示，DAC 可以通過(guò)對(duì)微處理器進(jìn)行編程以遵循公式 1來(lái)產(chǎn)生所需的 V C以調(diào)整 V OUT。

如果 V C的壓擺率太快，則錯(cuò)誤的 V OUT OVP 可能是一個(gè)問(wèn)題。因此，在使用微處理器控制 V C 時(shí)，請(qǐng)確保 V C轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)于升降壓 DC/DC 級(jí)回路響應(yīng)時(shí)間，但不超過(guò)適用的 USB Type-C 規(guī)范。

圖2 ：使用 DAC 控制 V C

4.通過(guò) PWM 信號(hào)控制電壓

第二種方法是使用微處理器的通用輸入/輸出端口 (GPIO) 來(lái)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。該 PWM 信號(hào)可以被 RC 濾波器濾除以產(chǎn)生直流電壓，然后再饋入 FB 引腳，如圖 3 所示。改變 PWM 占空比可以動(dòng)態(tài)調(diào)整 V OUT。

圖 3 ：通過(guò) PWM 信號(hào)調(diào)整 V OUT

然而，PWM 濾波器會(huì)引入紋波電壓。如果 RC 濾波器的低通轉(zhuǎn)角頻率遠(yuǎn)低于 PWM 信號(hào)的頻率，則 R 3和 FB 引腳都將看到幾乎純直流電壓。因此，PWM 不會(huì)在 V OUT軌上引起明顯的紋波。我建議選擇 R 4和 C 1，以便將 RC 濾波器的轉(zhuǎn)角頻率設(shè)置為至少比 PWM 信號(hào)頻率低 20 倍，這樣 FB 引腳的紋波電壓可以衰減至少 40 dB。因此，R 4和C 1的選擇應(yīng)滿足等式2：

其中 f PWM是 PWM 信號(hào)的頻率。

假設(shè) PWM 信號(hào)的占空比為 D，谷電壓為 0 V，峰值電壓為 V PWM，則 V OUT將滿足公式 3：

5.使用兩級(jí) RC 濾波器避免過(guò)度延遲

如上所述，RC 濾波器需要將 PWM 衰減至少 40 dB。如果 PWM 信號(hào)頻率受到限制，例如 200 kHz，則 RC 濾波器的轉(zhuǎn)角頻率必須設(shè)置為 2 kHz，這意味著 RC 濾波器時(shí)間常數(shù)約為 80 ms。由于 RC 濾波器的穩(wěn)定時(shí)間是時(shí)間常數(shù)的四倍，因此對(duì)階躍占空比變化的響應(yīng)將需要超過(guò) 320 ms 的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定，遠(yuǎn)長(zhǎng)于 USB Type-C PD 規(guī)范的電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間。一種解決方案是使用兩級(jí) RC 濾波器，如圖 4 所示。

圖 4：用于減少延遲時(shí)間的兩級(jí) RC 濾波器

兩級(jí) RC 濾波器提供每十倍頻程 40 dB 的衰減。在同一示例中，當(dāng) PWM 信號(hào)為 200 kHz 時(shí)，濾波器的轉(zhuǎn)角頻率可以提高到 20 kHz，從而將濾波器的時(shí)間常數(shù)減少到僅 8 ms。對(duì)占空比階躍變化的響應(yīng)將在 32 ms 內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)，這足以滿足 USB PD 應(yīng)用。通常，根據(jù)公式 4 選擇 RC 濾波器：

現(xiàn)在，V OUT和 PWM 占空比 (D) 滿足公式 5：

請(qǐng)注意，當(dāng) D 減小時(shí)，V OUT將增加。根據(jù)公式 5 對(duì)微處理器進(jìn)行編程將產(chǎn)生一個(gè)具有正確占空比的 PWM 信號(hào)，以將四開(kāi)關(guān)降壓-升壓輸出調(diào)節(jié)到適合 USB Type-C PD 應(yīng)用的所需電壓電平。

6.結(jié)論

對(duì)于本系列中展示的每項(xiàng)技術(shù)，重要的是要記住，如果電壓電平之間的切換太快，則可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的 OVP 事件。所以請(qǐng)確保過(guò)渡時(shí)間足夠滿足應(yīng)用程序，不會(huì)觸發(fā)錯(cuò)誤的 OVP 事件。