Type-C双电池快充解决方案

随着type-c的广泛应用，以往的usb充电方案也逐渐需要type-c power delivery(pd)来实现更高效快捷的充电。以往的座充通常仅支持单电池充电，在某些耗电量较大的便携式设备应用的场景下不能完全满足需求，因此本文章提出了一个双电池快充的解决方案。
图1是本文提出的type-c双电池快充解决方案的框图。type-c快充协议由usb pd芯片tps65987d来完成，充电芯片使用了ti最新的升-降压充电芯片bq25790，电池包中的电量计芯片采用了bq40z50，此外，type-c接口的esd保护使用了tpd6s300a，同时在输入端使用tps70933来提供整个系统的芯片供电。整个系统的快充协议、充电和电量计配置由mcu msp430fr2476来完成。
图 1 type-c双电池快充解决方案
本文主要讨论此解决方案中ti的产品。
tps65987d是一款独立的usb type-c power delivery(pd)控制器，具备usb type-c接口的正反插识别。在线缆识别之后，tps65987d使用usb pd协议通过cc线进行协议通讯。当线缆识别和pd协议沟通完成后，tps65987d会打开pd充电路径进行快充。
图 2 tps65987d简化示意图
tpd6s300 是一种单芯片 usb type-c 端口保护解决方案，可提供 20v vbus 短路过压和 iec esd 保护。tpd6s300通过在 cc 和 sbu 引脚上提供过压保护，可以使 cc 和 sbu 引脚实现 20v 容差，同时不会干扰正常工作。该器件将高压 fet 串联放置在 sbu 和 cc 线路上。当在这些线路上检测到高于 ovp 阈值的电压时，高压开关被打开，并且将系统的其余部分与连接器上存在的高压状态隔离。大多数系统都需要为其外部引脚应用 iec 61000-4-2 系统级 esd 保护。tpd6s300为 cc1、 cc2、sbu1、sbu2、dp、dm 引脚集成 iec 61000- 4-2 esd 保护，并且无需在连接器上通过外部放置高压 tvs 二极管。
图 3 tpd6s300简化示意图
bq25790是一款集成了mos管开关的buck-boost充电芯片，可以支持1-4节锂或锂聚合电池。该充电芯片集成了4个开关mosfet(q1, q2, q3, q4)、输入电流和充电电流感知电路、电池端fet(qbat)以及buck-boost转换器的补偿电路。bq25790可以为usb type-c和usb power delivery(usb-pd)的应用场景提供很高的功率密度和设计灵活性。
图 4 bq25790简化示意图
bq40z50器件采用已获专利的 impedance track™ 技术，是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案，针对1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设，测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数，保留准确的数据记录，并通过 smbus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。
图 5 bq40z50简化示意图
tps709系列线性稳压器是针对功耗敏感型应用而设计的超低静态电流器件。此精密带隙和误差放大器在温度范围内的精度为 2%。这些器件的静态电流仅为 1µa，因此对于由电池供电、要求静态状态功耗非常小的常开系统而言，这是非常理想的解决方案。为了增加安全性，此器件还具有热关断、电流限制和反向电流保护功能。关断模式通过将 en引脚拉为低电平进行使能。该模式的关断电流低至 150na（典型值）。tps709系列采用wson-6和sot-23-5 封装。
图 6 tps709简化示意图
msp430fr247x 微控制器 (mcu) 是 msp430™ mcu 超值系列超低功耗低成本器件产品系列的一部分，该产品系列用于检测和测量应用中的数字输入 d 类音频放大器。msp430fr247x mcu集成了一个 12 位 sar adc 和一个比较器。所有msp430fr247x mcu均支持 –40° 至 105°c 的工作温度范围，因此这些器件的fram数据记录功能对更高温度的工业应用来说意义重大。msp430fr247x mcu 由一系列由软、硬件组成的生态系统提供支持，并提供有参考设计和代码示例，可帮助您快速开展设计。开发套件包括 msp-ts430pt48 48 引脚目标开发板。ti 还提供免费的msp430ware™ 软件，该软件以 code composer studio™ ide 台式机和云端版本组件的形式在 ti resource explorer 内部提供。msp430 mcu 还通过 e2e™ 社区论坛提供广泛的在线配套资料、培训和在线支持。msp430 超低功耗 (ulp) fram 微控制器平台将独特的嵌入式 fram 和整体超低功耗系统架构相结合，从而使系统设计人员能够在降低能耗的情况下提升性能。fram 技术将 ram 的低功耗快速写入、灵活性和耐用性与闪存的非易失性相结合。 ti msp430 系列低功耗微控制器包含多种器件，其中配备了不同的外设集以满足各类应用的需求。该架构与多种低功耗模式配合使用，经过优化，可在便携式测量应用延长电池寿命中的数字输入 d 类音频放大器。该 mcu 具有一个强大的 16 位精简指令集 (risc) cpu，使用 16 位寄存器以及常数发生器，以便获得最高编码效率。数控振荡器 (dco) 可使 mcu 在不到 10μs（典型值）的时间内从低功耗模式唤醒至活动模式。
图 7 msp430fr247x框图