将USB Type-C PD添加到锂离子电池组

2020-06-16

C型通用串行总线（USB C型）提供高数据传输率和可逆连接器，用户无需检查电缆的方向即可插入。Power Delivery（PD）是一种规范，可通过USB处理高达100 W的高功率电平。通过允许高达20 V的电压和高达5 A的电流来实现这一点。

USB Type-C PD结合了两种技术-高数据传输和高功率-使得可以通过USB连接为设备快速充电。在USB Type-C PD中，电流可以从一个设备流向另一设备，而电流在电路中没有设定方向，而是完全取决于通过PD规范通信的设备。

USB C型和PD型USB为笔记本电脑，电话，平板电脑等设备提供了通用的充电解决方案，并且无需携带笨重的电源。本文介绍了将USB Type-C PD添加到锂离子电池组的解决方案。

虽然一些主要的IC制造商提供解决方案，但很少有提供完整的封装，而完整的USB-C PD解决方案所需的一切都包含在单个IC中。

本文介绍了将USB Type-C PD改造为具有完整充电，放电，保护和测量功能的现有电池组的各种方法。主要组件及其功能是：

USB-C PD芯片：该芯片与USB-C连接器接口，并通过USB Type-C连接器连接到外部USB-C PD设备。它处理与设备的所有握手和电源协商，并确定电源级别。该信息通过控制信号或I 2 C通信传递到板上的其他芯片。使用的控制线数随芯片的不同而不同。

稳压器： 此芯片为USB Type-C VBUS提供所需的电压，该电压已由USB Type-C PD芯片协商确定。电压可以为5、9、15或20V。根据电池组的标称电压，调节器的拓扑可以是降压，升压或降压-升压。需要选择与芯片一起使用的功率组件，以处理高达100 W的功率。某些稳压器将通过I 2与USB Type-C芯片接口C并提供所需的电压。其他设置方式需要提供USB Type-C芯片所需的电源。在需要通过USB Type-C PD为电池组充电的应用中，芯片必须能够允许双向电流，并且能够以恒定电流/恒定电压（CC / CV）算法调节功率以进行充电锂离子电池。

假定电池管理系统（BMS）已在电池组中提供了基本保护和计量。

USB Type-C PD芯片

有各种IC可供选择；它们在协商电压传送到稳压器的方式上有所不同。通常，这可以通过两种方式完成：

控制信号

在这种方法中，芯片检测并与设备协商功率，并通过控制信号传达协商的功率水平。协商的电源可以为5、9、15或20 V （表1）。该芯片还实现了进出电池组的电源路径。

所使用的控制信号的数量随芯片而异。对于提供经过协商的控制信号功率的芯片，需要一个支持的稳压器来获取控制信号的状态并生成所需的电压电平。通常，这可以通过使用反馈电阻器来改变输出电压的稳压器来实现。可以在USB Type-C PD芯片和稳压器之间添加一个“电阻网络” （图1）。

1.此解决方案使用USB Type-C PD芯片，该芯片通过控制信号传递协商电压

电阻器网络的作用是从USB Type-C PD芯片获取控制信号，并为稳压器的反馈电阻器创建等效电阻。例如，假设您使用LTM4609降压-升压型稳压器作为标称电压为16 V的电池组中的稳压器。表2列出了电阻网络必须为稳压器的反馈电阻生成的电阻值。

赛普拉斯的 CCG2系列和TI的 TPS65987等都是USB Type-C PD芯片，它们产生与协商的功率相对应的控制信号。这种方法的优点是电压调节器选项范围广泛，并且易于测试和调试。它确实具有缺点，即具有更多的组件并需要更多的PCB空间。

I 2 C接口

在这种方法中，USB Type-C PD芯片可在I 2 C 上提供经过协商的输出电压。具有I 2 C接口的稳压器可与USB Type-C PD芯片配对以生成所需的电压电平（图2）。 2）。

2.此处，USB Type-C PD芯片通过I2C通信传递协商电压

例如，TI的TPS65987D与BQ25703稳压器配对，赛普拉斯的CCG2与ON Semi的 NCP81239稳压器配对。他们不需要电阻板的优势，这意味着更少的组件和更少的PCB空间。缺点是稳压器的选择较少，并且测试和调试更加困难。

选择双向稳压器可以对电池组进行充电和放电。如果找不到适合的应用，则可以将单独的稳压器用于充电和放电路径。

通过USB Type-C PD为电池组充电

要通过USB Type-C PD为锂离子电池组充电，所用的电压调节器应能够以CC / CV算法调节功率。理想情况下，USB Type-C PD芯片配置为从连接设备协商100 W（20 V，5 A）。这样可以很大程度地减少包装的充电时间。稳压器需要配置为提供等于电池组充电电压的输出电压，这可能涉及对从电源接收的功率进行降压或升压。

另外，由于给定电池的充电电流的限制，可能无法以100 W的功率对电池组充电。例如，假设电池组是使用Samsung 18650电池的1S9P组合。电池组的充电电压为4.2V。要通过USB Type-C PD以100 W对电池组充电，调节器需要将输入电压从20 V降压至4.2 V，从而将流入电池的电流增加至大约24 A.设计人员需要选择调节器及其接口组件，以承载电流。这同样适用于保护组件，例如保险丝，开关和电源路径上的其他组件。

在此示例中，根据电池的数据表，每个电池的充电电流不应超过2 A，从而使电池组的最大充电电流仅为18 A，低于24V。这可以通过限制电池的输出电流来实现。调节器。需要对过充电电流（OCC）和短路充电（SCC）的设置进行相应的调整，以使BMS不会随着电流的增加而激活保护功能。

通过USB Type-C PD为电池组放电

当外部设备试图通过USB Type-C PD从电池组吸收大电流时，必须小心确保电池寿命不会受到不利影响。让我们以1S9P电池组的先前示例为例。如果设备从电池组协商20 V，则稳压器将电池组电压从3.6 V（标称值）升至20V。为使电池组提供100 W，需要从电池芯汲取28 A的电流，每个电池约3.1A。这需要小于电池的最大放电电流，在这种情况下，根据电池的数据手册，该电流为8A。

如前所述，需要选择组件以允许此电流水平。还需要相应调整过电流放电（OCD）和短路放电（SCD）的BMS设置。