1.前言

之前一篇文章討論的那樣，使用開關(guān)電阻器控制USB Type-C 電力傳輸 (PD) 和無線充電應(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 中的開關(guān)電阻器需要三個開關(guān)電阻器支路和三個控制信號來產(chǎn)生 USB Type-C PD 應(yīng)用所需的四個電壓。每個開關(guān)電阻支路還需要一個電阻-電容 (RC) 延遲來控制開關(guān)速度，以防止誤觸發(fā)四開關(guān)升降壓控制器的過壓保護 (OVP) 功能。實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很麻煩，并且可能不容易適應(yīng)緊湊的設(shè)計。在這種情況下，我們可能需要采用不同的方法來減少組件的數(shù)量。

圖 1 顯示了一個示例，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。

圖 1 ：使用調(diào)制電壓源調(diào)整 V OUT

3.通過 DAC 控制電壓

USB Type-C PD 和無線充電器系統(tǒng)通常有一個帶有內(nèi)部 DAC 的微處理器。如果它沒有內(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 可以通過對微處理器進行編程以遵循公式 1來產(chǎn)生所需的 V C以調(diào)整 V OUT。

如果 V C的壓擺率太快，則錯誤的 V OUT OVP 可能是一個問題。因此，在使用微處理器控制 V C 時，請確保 V C轉(zhuǎn)換時間長于升降壓 DC/DC 級回路響應(yīng)時間，但不超過適用的 USB Type-C 規(guī)范。

圖2 ：使用 DAC 控制 V C

4.通過 PWM 信號控制電壓

第二種方法是使用微處理器的通用輸入/輸出端口 (GPIO) 來產(chǎn)生 PWM 信號。該 PWM 信號可以被 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 占空比可以動態(tài)調(diào)整 V OUT。

圖 3 ：通過 PWM 信號調(diào)整 V OUT

然而，PWM 濾波器會引入紋波電壓。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 信號的頻率。

假設(shè) PWM 信號的占空比為 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 RC 濾波器避免過度延遲

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 濾波器時間常數(shù)約為 80 ms。由于 RC 濾波器的穩(wěn)定時間是時間常數(shù)的四倍，因此對階躍占空比變化的響應(yīng)將需要超過 320 ms 的時間來穩(wěn)定，遠(yuǎn)長于 USB Type-C PD 規(guī)范的電壓轉(zhuǎn)換時間。一種解決方案是使用兩級 RC 濾波器，如圖 4 所示。

圖 4：用于減少延遲時間的兩級 RC 濾波器

兩級 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 信號為 200 kHz 時，濾波器的轉(zhuǎn)角頻率可以提高到 20 kHz，從而將濾波器的時間常數(shù)減少到僅 8 ms。對占空比階躍變化的響應(yīng)將在 32 ms 內(nèi)穩(wěn)定下來，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：

請注意，當(dāng) D 減小時，V OUT將增加。根據(jù)公式 5 對微處理器進行編程將產(chǎn)生一個具有正確占空比的 PWM 信號，以將四開關(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

對于本系列中展示的每項技術(shù)，重要的是要記住，如果電壓電平之間的切換太快，則可能會出現(xiàn)錯誤的 OVP 事件。所以請確保過渡時間足夠滿足應(yīng)用程序，不會觸發(fā)錯誤的 OVP 事件。