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关于Charge(pump的介绍和应用)

关于Charge(pump的介绍和应用)

传统电路的工作电压通常很高,从CPU工作电压的发展就可以看出来。

刚入职的时候,我接触到的所有CPU的工作电压都是5V,常用的TTL电路的工作电压都是5V。较新的CMOS集成电路的工作电压可低至3V,但大部分仍用于5V环境。但是后来逐渐出现了3.3V的器件,然后出现了2.5V,1.8V,1.5V,1.2V的器件。事实上,今天的核心工作电压的CPU或MCU甚至可以低于1伏。随着电压的降低,设备的运行速度大大提高,CPU的集成度提高了很多倍,整体性能越来越强。一个很简单的MCU就能比过去的大型计算机更强,这是一个全新的画面。

当核心电路的工作电压降低时,完成供电的芯片也会发生相应的变化,低输入低输出的器件会变得普遍。当使用锂离子电池作为电源时,许多功率器件的最低工作电压为2.xV,可以满足锂离子电池在其电量即将耗尽时的需求,使系统在电池仍有电量的情况下,始终能得到稳定的供电。

现在假设一个系统以12V电源作为输入,系统需要1.5V和1V两组电压,1V的电流消耗不算太大。这时,最好的办法之一就是用一个降压转换器把电压从12V转换到1.5V,再用一个低压差线性稳压器把电压从1.5V转换到1V。这样做最大的好处就是避免了使用Buck转换器得到1V的复杂性,成本相应降低,效率性能好,因为用线性稳压器从1.5V转换到1V的效率比较高。

当我们想要实现上述想法时,会遇到一些问题。1.5V的电压太低,用这样的输入工作的线性稳压器可能无法正常工作。就算能工作,性能也不会太好。之所以这样,是因为构成线性稳压电路的晶体管需要有足够的驱动电压变化空间,各种内部电路需要有足够的电压才能表现出足够好的性能。

解决这个问题的一个方法是从外部引入一个相对较高的驱动电压,如下图所示:

这种电路在应用中会看起来略显复杂,因为它自然需要相应的接口和一些辅助措施来引入外部的高电压,而且还需要系统中有相应的高电压存在,这一点并不总能得到保证。

对于用户来说,最简单的电路仍然如下图所示:

你可以从该图中看不出任何特殊之处,但在低输入电压下工作的能力已经在器件本身中存在,因为它引入了电荷泵,以自动在内部将输入电压升高到高电压,从而内部电路可以在低输入电压下工作良好。下图所示的内部框图中的VPUMP表明了这个内部电路的存在。

由于内部电荷泵的存在,RT9048的正常工作电压可以低至1.4V,非常适合低输入电压的应用。

在以电脑为核心的个人应用中,最成功的接口应该是USB。传统的USB接口都是用5V作为供电的标准电压,但是今天这个标准升级了。5V标准变了,变成了3.xV~20V可调。最大工作电流可达5A,可传输100W电能,传输方向也可改变。这就是USB PD协议给我们带来的改变。

USB有几种版本。第一版协议通过传统USB总线的VBUS传输,协议的传输过程通过高频调制信号实现。该协议的实现基于传统的总线接口。可惜完全没有考虑信号完整性的问题,几乎成了一种浪费。

第二版USB是随着USB Type-C接口的出现而出现的,让它变得真正实用。C类接口有专门的CC通道,可以识别USB接口中各方的特性,让不同的设备和线缆可以顺利互联,不超出各自的能力,成为一个和谐的整体。USB通过C接口的CC通道传输信息,使USB连接中的各方可以随时交换信息,根据实际需要调整供求关系,自动实现角色互换、电压转换和电流限制设定。

由于USB Type-C接口和基于它的USB PD协议的诸多优点,一场新的革命正在世界范围内展开。c接口已经成为很多厂商的全新选择,成为一个全新的广告语来宣传自己已经被采用,可见业内人士是多么看重它。

去年(2015年)下半年,USB IF在美国组织了专门针对USB Type-C和PD相关产品的插件发布会。大会测试了各厂商带到现场的自家相关产品的互联互通,以此来验证各产品的兼容性、安全性等方面,既给各大厂商提供了验证的机会,也充分检验了他们的能力。作为参与者之一,力成有幸成为最后离开时能够带走完好实验品的几家厂商之一。许多厂商之所以能带走完好的实验品是很多实验品在插拔测试中被杀。

力成给外挂发布会带来的产品是一款采用USB PD协议的AC/DC适配器,其电路图大致如下:

从图中可以看出,它是由RT7786和RT7207组成的交流/DC电源转换器,但由于是按照USB PD标准实现的,所以与传统的交流/DC电源适配器有很大的不同。从今天来看标准兼容,还支持USB PD 2.0/3.0/SCP/QC2.0/QC3.0,对于了解手机行业快充技术发展的人,我不我不需要说你知道这些标准意味着什么,但是我不知道。t提到任何MTK(联发科)的快充标准,与前述标准不同。作为联发科的子公司,力成所以其实这个方案也符合联发科的快充要求。

RT7207之所以能满足这么多标准,是由其应用的灵活性决定的。其实就是一个32位MCU ARM Cortex-M0的设备,很多端口的用途可以根据需要改变。只要根据需要对其内部软件稍加调整,就可以实现新的功能。所以,当我在媒体上看到某某公司首先宣布支持什么协议的时候,我只能偷偷乐一乐。我们不不要宣布任何事情,我们只是悄悄地做。了解LiMo的人自然知道我们在做什么,他们才是LiMo真正的用户。

为了满足USB PD协议和电池直接充电的需要,上述AC/DC转换器的最小输出电压可以低至3V。3V的电压对于某些应用电路来说不是问题,但是驱动外部N-MOSFET会有所不足,RT7207内部的线性电路也会有工作障碍。对于这样的问题,它会做什么?它还使用电荷泵电路。下图是将其并入电荷泵电路时的原理图:

V5是RT7207的5V电源端,其电源来自芯片的电源端VDD。当VDD的电压过低时,图中的驱动器得到一个时钟方波信号,其输出端会有不同的脉冲信号。在这个脉冲信号的反复作用下,泵电容CCP会充放电,V9端会得到足够高的电压。最后,VG端可以输出足够高的驱动电压来驱动外部同步整流MOSFET开关。包含电荷泵电路的交流/DC适配器电路如下图所示:

关心USB PD应用和USB Type-C应用的读者,在力成官网上能看到的相关信息非常少。这是因为这类应用涉及的规格和要求有太多的变数,力成可以提供很多产品,包括电源端子、用电端子、电缆等。实际应用过程需要大量的沟通才能确定最终的方案。因此,当您有特定需求时,可以如有不符合,请及时联系历城商务机构,获得专业支持。

标签:电压电路接口


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