新的USB 3.1 Type-C標準可望大幅簡化電子產品的連接。該新標準旨在利用一根Type-C電纜,為功率高達100W的任意兩個裝置之間實現資料和電源傳輸。本文討論常時開啟型(always-on)降壓轉換器的特性——這是來源元件與接收元件之間交握時的關鍵功能,以應答連接與協商傳輸功率。

USB 3.1 Type-C標準

全新的USB 3.1 Type-C標準,可支援電子產品之間的高資料率傳輸與高功率供電。USB 3.1能實現10Gbps的傳輸速率,同時透過標準電纜提供高達3A電流,使用增強電纜時可提供5A電流。匯流排電壓可調節到最高20V (使用標準電纜時:[email protected];使用增強電纜時:[email protected])。現在許多筆記型電腦的功率要求都小於100W,所以採用Type-C連接器的新機型能透過USB埠充電,這也是目前小型裝置使用的充電方式。

因應USB 3.1 Type-C標準的複雜度,裝置必須作為供電端(source)或受電端(sink)進行協商,然後才能傳輸電力。因此,Type-C電纜是「智慧」的,附加電路必須知道如何正確地供電和傳輸資料。Type-C電纜兩端的連接器完全相同,才能允許反插插入;每個連接器也可以翻轉,任何一面朝上時都可插入。Type-C USB電纜支援雙向供電,所以同一裝置既可對週邊裝置充電,也可對主機裝置充電。這將有助於消除眾多專用的電源配接器和多種類型的USB電纜,最終減少目前桌面上雜亂的電纜。

USB 3.1 Type-C系統

圖1顯示典型的筆記型電腦電源管理前端,可連接USB Type-C電纜,並由三個鋰離子電池組成的電池組供電(提供7.2V至12.6V電源)。

20170419_Maxim_TA31P1 圖1:USB 3.1 Type-C電源管理系統

電源管理晶片(PMIC)由電池直接供電,而常時開啟的降壓轉換器經由蕭特基二極體接受電力,並可由電池或USB來源供電。相反地,常時開啟的降壓轉換器可為埠控制器供電,該控制器負責主機系統微處理器(μP)和電源之間的電源交換仲裁。當連接USB時,降壓充電器為電池充電。

為耗盡電池重新充電時,必須採取以下的步驟: 步驟1:電池耗盡 步驟2:連接USB Type-C電纜 步驟3:USB Type-C電纜偵測連接,並提供初始5V電壓 步驟4:常時開啟型轉換器喚醒埠控制器並為其供電 步驟5:埠控制器協商功率要求(例如5A、20V) 步驟6:系統透過USB Type-C電纜接收所需的功率 步驟7:降壓充電器啟動電池充電

常時開啟型轉換器在所有環節都起著重要作用。甚至USB最初提供的輸入電壓相對較低(5V減去蕭特基二極體壓降)時,轉換器也可提供3.3V輸出。正常作業期間,電源具備隨時充電的能力,強制接收端裝置重新協商,所以降壓轉換器必須隨時就緒。因此,所選擇的常時開啟型降壓轉換器應該盡可能地降低功耗。

常時開啟型降壓轉換器

例如,Maxim Integrate的小尺寸、同步降壓轉換器MAX77596。該元件具有整合型開關(圖3的T1和T2),在3.5V至24V輸入電壓下,提供高達300mA電流,零負載時的靜態電流僅為1.1μA(固定輸出版本)。此外,此元件可在接近壓降下操作,運作工作週期為98%,因此非常適於電池供電應用。

該元件提供固定的3.3V和5V輸出電壓版本,以及可調節輸出版本。可調節輸出版本可讓用戶使用電阻分壓器,在1V至10V之間調節輸出電壓。其頻率固定於1.7MHz,從而可使用較小的外部被動元件以及降低輸出紋波。晶片上功率電晶體開關確保更經濟的元件成本清單。該元件具有強制脈衝寬度調變(PWM)和省略(skip)作業模式可選。

極低靜態電流

對於常時開啟型元件而言,由於元件必須保持從不關斷,所以低靜態電流至關重要。固定輸出電壓的MAX77596版本,允許絕大部份的內部電路從VOUT接腳進行偏置(圖2中的IBIAS)。

20170419_Maxim_TA31P2 圖2:常時開啟型降壓轉換器固定輸出( 以MAX77596為例)

該方式僅從輸入接腳汲取1.1μA (ISUP)剩餘電流。圖3所示為供電剩餘電流ISUP的溫度特性。

20170419_Maxim_TA31P3 圖3:零負載供電電流與溫度的關係

這種巧妙的偏置配置,使得常時開啟型降壓轉換器(如MAX77596)擁有最佳的低靜態電流。

降壓轉換器實現高效率

低電阻、整合型MOSFET開關可在1.7Mz的較高作業頻率時實現高效率。從圖4的效率比較圖顯示,相較於競爭產品,MAX77596的效率更高出5%。

20170419_Maxim_TA31P4 圖4:效率比較

結語

USB 3.1 Type-C標準透過一根Type-C電纜,為更多裝置提供更高功率。在供電裝置(source)與受電裝置(sink)之間進行交握的關鍵因素之一在於為埠控制器供電的常時開啟型降壓轉換器。例如,MAX77596擁有最佳的低靜態電流和高效率,可作為支援USB Type-C應用的理想選擇。