0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

有什么其他方法可以为关键的USB供电设备充电呢?

analog_devices 来源:亚德诺半导体 2023-05-08 09:26 次阅读

在自然灾害或长时间停电等紧急情况下,找到电源来给手机或其他USB通信设备充电可能很困难。使用交流电源工作的充电器无处不在,但当电网不可用,并且最后的USB电池备用充电器系统电源耗尽时,还有什么其他方法可以为关键的USB供电设备充电?

图1所示的电路是一种宽输入电压范围USB设备充电器,可提供2 A、5 V输出,支持广泛的直流电源,包括太阳能电池板、充满电或用完一半的汽车电池、−48 V电信备用电池、随机堆叠的碱性电池、被改造成发电机的电动机以及风力涡轮机(下文简称该电路为CN-0509)。CN-0509包括两个USB充电端口,可提供2 A、5 V输出。一个端口含有专用充电端口(DCP)控制器,可以让大多数制造商的设备实现快速充电模式。

d06016d6-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图1. CN0509宽范围隔离式设备充电器简化示意图

此电路接受5 V至100 V的任何直流电压,并通过标准USB A型连接器产生隔离式5 V电源。由于许多手机和其他便携式电子设备的外壳常常电气连接到USB地,因此电源与接地的关系未知,在这种情况下,隔离可以防止发生故障。

图1所示电路对反向电压状况也有保护措施。临时电源的极性可能未知,当反向连接到直流电源时,该电路不会受损。此设计包含发光二极管(LED),用以指示电压源是否正确连接或是否必须交换极性。

电路描述

CN-0509可将5 V至100V的各种直流电源转换为5 V、2 A稳压电源,进而通过双通道USB A型插座为USB充电设备充电。

有两个输出端口可供使用,一个让USB D+和D−信号保持开路,用于一般充电;另一个含有USB DCP控制器,使大多数制造商的设备能够实现高电流充电模式。两个端口可以同时使用。但是,最大总负载电流为2 A。

该设计使用高效率、降压DC-DC转换器(LTC7103,支持直通操作)与隔离型反激式转换器(LT8302)的组合。这种配置既有降压转换器的高功效比和宽工作范围特性,又有反激式转换器的隔离和出色的稳压性能。

输入电压保护和LED驱动

CN-0509电源输入级如图2所示。高压肖特基二极管和保险丝保护电路免受反向电源连接和过流状况的影响。

d07ed31e-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图2. 输入电压保护电路

两个LED指示输入电源,绿光表示极性正确,红光表示反向连接。如果出现红光LED,则必须将输入连接反向才能使电路工作。虽然可以使用桥式整流器来支持以任一极性工作,但额外的400 mV压降会提高最小工作电压,当从较低电压源(例如太阳能电池板或碱性电池单元)充电时,这可能是一个问题。

在电路的整个工作范围内,一个有源恒流驱动器电路维持LED电流,使其亮度变化极小。两个电路串联连接,但极性相反(参见图3)。

d09e8952-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图3. 极性指示

施加电源时,电流流过R1,进而接通晶体管Q3。电流然后流过Q3的发射极、LED和R2。随着通过R2的电流增大,R2两端的电压也增大。一旦R2上的压降达到晶体管Q1的基极到发射极电压(VBE,约为0.7 V),Q1便导通。由此导致的流过R1的电流降低Q1的基极驱动,从而有效限制LED的电流。在11 V至100 V的电压范围,此反馈环路将绿光LED和红光LED的电流分别维持在大约2.41 mA和2.432 mA。

LTC7103降压转换器

电源输入电路之后是LTC7103同步降压转换器。相比于电流能力类似的线性稳压器,降压转换器或降压型开关模式电源可在一个小型封装中有效地降低直流电压,功耗很低,功率密度则很高。

直流输入先经由总计4.8 μF的电容滤波和旁路,再进入降压转换器的输入端。LTC7103随后将12 V至105 V的宽输入电压有效地降低到12 V的稳压输出电压(VOUT),同时以300 kHz开关频率(fSW)提供高达2.3 A的输出电流。

d0c0bef0-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图4. 12 V VOUT和不同输入电压条件下的效率

LTC7103 有一个可选的精密内部反馈分压器,因而无需外部精密电阻。VPRG1和VPRG2引脚的数字状态将输出电压设置为1.0 V到15 V之间的九个固定选项中的一个。注意,CN-0509将VPRG1引脚绑定到INTVCC引脚,并让VPRG2引脚保持开路,从而将输出设置为12 V。

当输入电压在4.4 V和12 V之间时,CN-0509利用LTC7103的特性以直通模式工作(参见图5)。LTC7103之后的隔离式反激级针对12 V进行了优化,但在低至5 V的电压也能以降低的输出电流能力工作。直通操作允许电路尽可能长时间地继续工作,哪怕应急电源的电压开始下降也无妨。

d11559d8-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图5. 4.4 V < VIN < 12 V的直通操作

LTC7103的架构提供了对短路状况的固有防护,无需折回输出电流或振荡器频率。这种保护之所以可能,是因为脉冲宽度调制(PWM)比较器持续接收来自平均电流放大器的电感电流信息。这导致在短路状况下自动以周期跳跃方式工作,否则如果顶部开关的最短导通时间过长,将无法在最高开关频率下保持对电感电流的控制。典型限流操作如图6所示。

d13e5f72-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图6. LTC7103典型限流操作

LT8302反激式转换器

降压级之后是微功耗非光学隔离型反激式转换器LT8302。LT8302通过对初级侧反射波形进行采样来间接检测输出电压,从而保持调节,而无需光耦合器或在耦合电感上使用第三检测绕组。

在这种应用中,隔离是必不可少的,因为临时电源的极性和接地连接可能不清楚,或者对于充电应用设计本来就是不正确的。−48 V电信电源是一个常见例子(参见图7)。

d15120ee-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图7.接地故障状况

电信电源相对于接地是负值,目的是防止电线发生电化腐蚀。因此,基于非隔离型降压转换器的充电器将手机外壳连接到−48 V时,如果外壳与接地物体接触,就会造成危险。太阳能电池板或发电机接线不正确时,也会发生类似情况。

除了提供隔离之外,LT8302进一步将降压转换器的12 V输出降低到5 V。VOUT使用两个外部电阻和第三个可选的温度补偿电阻编程,如下所示:

d16f4722-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

其中:

RFB为LT8302反馈电阻。
RREF为LT8302基准电阻。
NPS为变压器有效初级/次级匝数比。
VOUT为输出电压。
VF(T0)为25°C时的输出二极管正向电压=~0.3 V。

VREF为LT8302内部基准电压。

图8显示了在5 V VOUT时,各种输入电压下常见绕组比值的典型最大输出功率。CN-0509变压器具有3:1的匝数比,最大VOUT约为10 W。

d18221b2-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图8. 5 V VOUT时的典型最大输出功率

高达2 A的快速充电

USB已成为设备充电的实际标准,典型充电器可提供的电流已超过500 mA USB 2.0规范。充电器必须在USB数据线上提供特殊的电压签名,以便让设备识别自身,并确定它可以从电源获得的最大充电电流,这可以高于500 mA的最低标准。

U3是一个DCP控制器,监视USB数据线电压(D+和D−),并提供签名以支持几家常见设备制造商的快速充电模式(参见图9)。虽然两个端口可以同时使用(最大总负载电流为2 A),但当使用DCP端口时,建议断开另一个端口。

d1ccafe8-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图9. USB专用充电端口控制器

请注意,USB线缆的质量参差不齐。较长的小规格电缆可能导致负载处的电压大幅下降。

系统性能

对于12 V到100 V之间的任何输入电压,CN-0509几乎保持恒定操作,这是因为隔离转换器的输入处于恒定的12 V。较低输入电压会降低可用充电电流,如图10所示。

d1f2d344-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图10. 最大负载电流与输入电压的关系

反向输入耐压范围

CN-0509能够耐受高达100 V的反向输入连接。图11显示CN-0509的反向输入与LTC7103 VIN的关系。

d21138ca-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图11. LTC7103 VIN与VIN的关系

负载调整率

图12显示,在12 V以上的输入电压,由于负载电流从0.1 A增加到2 A,CN-0509的负载调整幅度在65 mV内,相应的输出电阻约为32.3 mΩ。

d21d399a-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图12. VOUT与负载电流(ILOAD)的关系

负载连接瞬变

图13和图14分别显示了手机(电话A)和USB移动电源(移动电源B)的电流和USB数据线的CN-0509导通瞬态曲线。

d23b5092-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图13. 电话A充电的ILOAD、D+和D−电压

d27b602e-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图14. 移动电源B的总线电压(VBUS)、D+和D−电压

热性能

图15显示了CN-0509以5.62 V、2 A给一个负载充电一小时的热响应,电路板水平放置在工作台上并处于静止空气中,环境温度为25°C。EVAL-CN0509-EBZ板上的最高温度出现在D3二极管上(83.8 °C),远低于150°C的最大工作温度。

d2aff5dc-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图15. EVAL-CN0509-EBZ的热图像, 以5.62 V、2 A输出给一个负载充电一小时

常规变化

如果有交流电源可用,EVAL-CN0509-EBZ可以将各种随机的离线电源变成USB充电器。此类电源包括笔记本电脑充电器、游戏机充电器和计算机外设电源。

在电源输入处使用肖特基桥式整流器,便可支持任何输入极性。然而,相比使用单个保护二极管,这种输入配置的代价是最小工作电压要增加0.4 V。例如,为获得最高2 A输出电流,需要12.4 V的VIN。

电路评估与测试

有关CN-0509的完整设置详情和其他信息,参见 CN0509用户指南。

设备要求

需要以下设备:

直流电源(任意电压,5 V至100 V)

EVAL-CN0509-EBZ评估板

Klein Toolsd392fbac-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png ET910 USB万用表测试仪(或等效设备)

MicroUSB转USB A型线

具有USB充电能力的设备(手机、平板电脑或便携式电源包)以及用于设备的USB充电线缆

测试设置和功能框图

图16显示测试设置的功能框图。

d3a4596a-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图16. 测试设置的功能框图

设置和测试

采用以下步骤完成测试设置:

如果DS1(绿光LED)亮起,则输入的极性正确,电路可在P2(USB输出端口)上提供高达10 W的功率。

如果DS2(红光LED)亮起,请关闭输入电源,断开电源输入,交换电源引线,再将电源输出重新连接到P1,然后重复步骤2。

将输入直流电源连接到CN-0509上的P1。连接高输入电压时须小心。

打开直流输入时,CN-0509开启。电路通过发光DS1或DS2确定输入连接极性是否正确。

将 USB 线缆从 ET910 USB 万用表测试仪连接到EVAL-CN0509-EBZ上的下方USB端口。

使用一台支持快充的设备的充电电缆,从ET910 USB万用表测试仪连接该设备。

查看ET910 USB万用表测试仪,验证设备是否获得超过500 mA但小于2 A的电流(参见图17)。

将EVAL-CN0509-EBZ上的USB端口从下方(DCP)端口换到上方USB端口。

查看ET910 USB万用表测试仪,验证设备是否获得大约500 mA的电流(参见图17)。

d3b99e74-ed23-11ed-90ce-dac502259ad0.png

图17. ET910 USB万用表测试仪屏幕截图,左边是电话A从上方USB端口充电,右边是从含有DCP控制器的下方端口充电






审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 充电器
    +关注

    关注

    100

    文章

    4132

    浏览量

    114973
  • 控制器
    +关注

    关注

    112

    文章

    16367

    浏览量

    178122
  • 直流电源
    +关注

    关注

    8

    文章

    1317

    浏览量

    52423
  • USB供电
    +关注

    关注

    0

    文章

    29

    浏览量

    14872

原文标题:如何设计宽输入电压范围、双通道USB端口充电器?

文章出处:【微信号:analog_devices,微信公众号:analog_devices】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    为什么我的手机USB充电器不能给USB设备供电

    工作,(已确认手机充电器的USB端口是可用的,因为可以给手机充电)。我想问下,电脑的USB端口和手机充电
    发表于 01-31 12:21

    无线供电的原理及充电方式

    、防水性、防尘性,同时具有标准规格,一个供电装置能用于各种终端,有望得到极大的普及。无线供电的优点向便携式设备充电时,以往普遍的方法,是用适
    发表于 03-20 05:44

    关于USB-host什么方法不使用U盘直接用串口或者其他方法下载到FLASH ?

    本人最近设计语音识别部分时,用的是科大讯飞的离线语音识别模块XFMMT101,这个模块是通过USB-HOST接口通过U盘下载文件到FLASH芯片的,我想问下有没有什么方法不使用U盘直接用串口或者其他方法下载到FLASH
    发表于 08-28 11:31

    如果同时插着USB、DC时设备 系统是怎么供电

    如果同时插着USB、DC时设备,系统是怎么供电?用USB口对手机和平板充电,是否只有500m
    发表于 10-11 06:35

    是否其他方法可以执行RF低级访问测试

    在我熟悉的示例中,RF 低级访问由一些精确的协处理器固件控制。现有的协处理器二进制文件提供了一些更高级别的抽象,似乎不包括具有确切特征的强制信号。我是否遗漏了什么或者是否任何其他方法可以以指定的功率和频率开始连续生成信号?
    发表于 12-08 06:12

    有没有其他方法可以访问an5471设备上的引导加载程序

    我注意到 an5471 说用于刷新引导加载程序的 uart 接口仅在 PA8 和 PA9 上可用,但这些引脚在 32 引脚版本上不存在。有没有其他方法可以访问此设备上的引导加载程序?
    发表于 12-13 06:14

    是否可以使用其他方式在NUCLEO-H743ZI2板中的微控制器上继续编程和调试

    好奇心想问问你。我一个 NUCLEO-H743ZI2,没有它的微型 USB 连接器(STLINK-V3E USB 连接器 CN1)。我想知道是否
    发表于 12-13 06:13

    其他方法可以获取设备rpmsg_sdb吗?

    rpmsg_sdb 设备。是否有此驱动程序的 A7 预构建映像?如果没有,我如何使用 bitbake 将rpsmg-sdb-mod Yocto 配方添加到分发教程的图像中?以防万一,还有其他方法可以获取
    发表于 12-14 08:30

    其他方法可以将STM32IDE的外围设备设置为默认模式吗?

    大家好,我一个STM32F401RE,STM32IDE的版本是1.6。有人告诉我,在命名一个项目后,STM32IDE 弹出消息询问是否要将外设设置为默认模式。但出于某种原因,我的版本从不向我展示这个问题。我能做什么?还有其他方法可以
    发表于 01-04 07:13

    LED台灯无线充电功能可支持其他移动设备充电

    柯尼卡美能达推出了全球首款配备非接触式无线充电功能的桌面LED台灯“SymfosLED-TASKLIGHT”,可以为兼容无线充电的智能手机或其他移动
    发表于 01-16 10:01 1780次阅读

    可以为USB设备充电的另类墙插板

    关键词:USB , 充电 , 墙插板 如果你想重新装修,并且向购入比普通墙插板更贵的插座,那么你就应该选择这款RCA USB墙插板。 了它
    发表于 12-25 20:45 410次阅读

    努比亚方糖充电可以为iPhone供电

    1月15日上午,努比亚手机官微发布消息称,努比亚即将推出一款全新的充电器。这款产品名为“努比亚方糖”,采用圆形设计,体积小巧且支持快充,搭配USB-C接口,适合为诸多设备供电
    的头像 发表于 01-15 15:07 2816次阅读

    如何解决USB Power Delivery供电设备的噪声

    可以通过USB连接来为以前无法支持的PC和显示器等设备供电。 另一个特征是可以瞬时切换供电侧和
    的头像 发表于 07-29 09:34 1w次阅读
    如何解决<b class='flag-5'>USB</b> Power Delivery<b class='flag-5'>供电</b><b class='flag-5'>设备</b>的噪声

    USB充电USB供电和电池供电的电源设计

    在小型产品上经常要用到电池供电,这样就需要给电池充电。这里记录下1S电池3.7V的充电供电方案。先贴上原理图:来简要分析下:1、给系统供电
    发表于 11-06 12:36 41次下载
    <b class='flag-5'>USB</b><b class='flag-5'>充电</b>、<b class='flag-5'>USB</b><b class='flag-5'>供电</b>和电池<b class='flag-5'>供电</b>的电源设计

    实现关键性电流节省的其他方法是什么

    利用这些具有超低静态电流的汽车 LDO,您将能够显著地改善汽车电池的使用寿命。您在系统中实现关键性电流节省的其他方法是什么?  
    的头像 发表于 02-06 09:12 1059次阅读