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技術專題
將USB Type-C PD添加到鋰離子電池組
C型通用串行總線（USB C型）提供高數據傳輸率和可逆連接器，用戶無需檢查電纜的方向即可插入。Power Delivery（PD）是一種規范，可通過USB處理高達100 W的高功率電平。通過允許高達20 V的電壓和高達5 A的電流來實現這一點。
USB Type-C PD結合了兩種技術-高數據傳輸和高功率-使得可以通過USB連接為設備快速充電。在USB Type-C PD中，電流可以從一個設備流向另一設備，而電流在電路中沒有設定方向，而是完全取決于通過PD規范通信的設備。
USB C型和PD型USB為筆記本電腦，電話，平板電腦等設備提供了通用的充電解決方案，并且無需攜帶笨重的電源。本文介紹了將USB Type-C PD添加到鋰離子電池組的解決方案。
雖然一些主要的IC制造商提供解決方案，但很少有提供完整的封裝，而完整的USB-C PD解決方案所需的一切都包含在單個IC中。
本文介紹了將USB Type-C PD改造為具有完整充電，放電，保護和測量功能的現有電池組的各種方法。主要組件及其功能是：
USB-C PD芯片：該芯片與USB-C連接器接口，并通過USB Type-C連接器連接到外部USB-C PD設備。它處理與設備的所有握手和電源協商，并確定電源級別。該信息通過控制信號或I 2 C通信傳遞到板上的其他芯片。使用的控制線數隨芯片的不同而不同。
穩壓器： 此芯片為USB Type-C VBUS提供所需的電壓，該電壓已由USB Type-C PD芯片協商確定。電壓可以為5、9、15或20V。根據電池組的標稱電壓，調節器的拓撲可以是降壓，升壓或降壓-升壓。需要選擇與芯片一起使用的功率組件，以處理高達100 W的功率。某些穩壓器將通過I 2與USB Type-C芯片接口C并提供所需的電壓。其他設置方式需要提供USB Type-C芯片所需的電源。在需要通過USB Type-C PD為電池組充電的應用中，芯片必須能夠允許雙向電流，并且能夠以恒定電流/恒定電壓（CC / CV）算法調節功率以進行充電鋰離子電池。
假定電池管理系統（BMS）已在電池組中提供了基本保護和計量。
USB Type-C PD芯片
有各種IC可供選擇；它們在協商電壓傳送到穩壓器的方式上有所不同。通常，這可以通過兩種方式完成：
控制信號
在這種方法中，芯片檢測并與設備協商功率，并通過控制信號傳達協商的功率水平。協商的電源可以為5、9、15或20 V （表1）。該芯片還實現了進出電池組的電源路徑。
所使用的控制信號的數量隨芯片而異。對于提供經過協商的控制信號功率的芯片，需要一個支持的穩壓器來獲取控制信號的狀態并生成所需的電壓電平。通常，這可以通過使用反饋電阻器來改變輸出電壓的穩壓器來實現。可以在USB Type-C PD芯片和穩壓器之間添加一個“電阻網絡” （圖1）。
1.此解決方案使用USB Type-C PD芯片，該芯片通過控制信號傳遞協商電壓
電阻器網絡的作用是從USB Type-C PD芯片獲取控制信號，并為穩壓器的反饋電阻器創建等效電阻。例如，假設您使用LTM4609降壓-升壓型穩壓器作為標稱電壓為16 V的電池組中的穩壓器。表2列出了電阻網絡必須為穩壓器的反饋電阻生成的電阻值。
賽普拉斯的 CCG2系列和TI的 TPS65987等都是USB Type-C PD芯片，它們產生與協商的功率相對應的控制信號。這種方法的優點是電壓調節器選項范圍廣泛，并且易于測試和調試。它確實具有缺點，即具有更多的組件并需要更多的PCB空間。
I 2 C接口
在這種方法中，USB Type-C PD芯片可在I 2 C 上提供經過協商的輸出電壓。具有I 2 C接口的穩壓器可與USB Type-C PD芯片配對以生成所需的電壓電平（圖2）。 2）。
2.此處，USB Type-C PD芯片通過I2C通信傳遞協商電壓
例如，TI的TPS65987D與BQ25703穩壓器配對，賽普拉斯的CCG2與ON Semi的 NCP81239穩壓器配對。他們不需要電阻板的優勢，這意味著更少的組件和更少的PCB空間。缺點是穩壓器的選擇較少，并且測試和調試更加困難。
選擇雙向穩壓器可以對電池組進行充電和放電。如果找不到適合的應用，則可以將單獨的穩壓器用于充電和放電路徑。
通過USB Type-C PD為電池組充電
要通過USB Type-C PD為鋰離子電池組充電，所用的電壓調節器應能夠以CC / CV算法調節功率。理想情況下，USB Type-C PD芯片配置為從連接設備協商100 W（20 V，5 A）。這樣可以很大程度地減少包裝的充電時間。穩壓器需要配置為提供等于電池組充電電壓的輸出電壓，這可能涉及對從電源接收的功率進行降壓或升壓。
另外，由于給定電池的充電電流的限制，可能無法以100 W的功率對電池組充電。例如，假設電池組是使用Samsung 18650電池的1S9P組合。電池組的充電電壓為4.2V。要通過USB Type-C PD以100 W對電池組充電，調節器需要將輸入電壓從20 V降壓至4.2 V，從而將流入電池的電流增加至大約24 A.設計人員需要選擇調節器及其接口組件，以承載電流。這同樣適用于保護組件，例如保險絲，開關和電源路徑上的其他組件。
在此示例中，根據電池的數據表，每個電池的充電電流不應超過2 A，從而使電池組的最大充電電流僅為18 A，低于24V。這可以通過限制電池的輸出電流來實現。調節器。需要對過充電電流（OCC）和短路充電（SCC）的設置進行相應的調整，以使BMS不會隨著電流的增加而激活保護功能。
通過USB Type-C PD為電池組放電
當外部設備試圖通過USB Type-C PD從電池組吸收大電流時，必須小心確保電池壽命不會受到不利影響。讓我們以1S9P電池組的先前示例為例。如果設備從電池組協商20 V，則穩壓器將電池組電壓從3.6 V（標稱值）升至20V。為使電池組提供100 W，需要從電池芯汲取28 A的電流，每個電池約3.1A。這需要小于電池的最大放電電流，在這種情況下，根據電池的數據手冊，該電流為8A。
如前所述，需要選擇組件以允許此電流水平。還需要相應調整過電流放電（OCD）和短路放電（SCD）的BMS設置。