Uso de cargadores reductores-elevadores integrados para una carga USB más rápida y soluciones de carga universales más pequeñas

El uso de cargadores universales para baterías de iones de litio (Li-ion) y polímeros de litio (Li-poly) con suministro de energía (PD) USB 3.0 para la carga en movimiento (OTG) está creciendo en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo drones, teléfonos inteligentes, tabletas, aspiradoras inalámbricas, dispositivos médicos portátiles, altavoces inalámbricos y dispositivos de punto de venta electrónicos. En todas estas aplicaciones, los diseñadores se ven obligados a reducir el tiempo de carga y el factor de forma, a aumentar la densidad de potencia y a reducir el costo.

Los cargadores de baterías Buck-boost (reductor-elevador) combinados con USB PD pueden permitir el desarrollo de soluciones de carga de entrada rápida, eficiente y universal. Sin embargo, no se trata de dispositivos sencillos y diseñarlos para que sean compatibles con la especificación USB OTG puede llevar mucho tiempo. Esto aumenta el costo y puede afectar a los calendarios de diseño. El proceso de diseño puede complicarse aún más por la necesidad de cumplir con los criterios de control y temporización del intercambio rápido de roles USB (FRS) para garantizar que un dispositivo que está proporcionando energía, pueda convertirse rápidamente en un consumidor de energía para garantizar una conexión de datos ininterrumpida.

En el caso de las aplicaciones de carga universal USB PD, los diseñadores pueden resolver muchos de estos problemas recurriendo a cargadores integrados que agilizan el proceso de diseño y admiten la implementación de soluciones de carga reductor-elevador completas y compactas que ofrecen alta potencia y carga rápida con un bajo número de piezas y una alta densidad de potencia.

Este artículo considera brevemente la necesidad de una carga universal basada en USB 3.0 y USB Type-C®, y las complejidades de la implementación de soluciones USB OTG y FRS de entrada universal reductor-elevador. A continuación, se repasarán las ventajas de utilizar un dispositivo integrado, y luego se presentará una solución de carga reductor-elevador integrada de Texas Instruments con selector de entrada dual y soporte USB PD 3.0 OTG y FRS. También se describirá un módulo de evaluación de apoyo para ayudar a los diseñadores a comenzar con su próximo cargador USB PD de entrada universal con capacidades OTG y FRS.

Complejidad de la carga universal y OTG y FRS

Al establecer un conector estandarizado, el USB Type-C ha contribuido a permitir el desarrollo de adaptadores de corriente alterna universales y la reducción de los residuos electrónicos. Pero los conectores estandarizados son solo un factor. Los dispositivos portátiles tienen un número variable de celdas en sus baterías, y hay una gran variabilidad en las potencias de los adaptadores y los voltajes de 5 a 20 voltios. La combinación de los diferentes valores de los adaptadores y los distintos voltajes de las baterías hace que la arquitectura de una solución de carga de PD USB sea compleja y desafiante (Figura 1).

Figura 1: El diseño interno de una solución de carga de PD USB puede ser complejo, ya que debe acomodar configuraciones de celdas de batería y voltajes de adaptadores muy variados. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En primer lugar, el controlador PD USB (U4) debe identificar el adaptador, incluyendo la revisión de la especificación de carga de baterías USB 1.2 (USB BC1.2), el puerto de bajada estándar (SDP), el puerto de bajada de carga (CDP), el puerto de carga dedicado (DCP), el puerto de carga dedicado de alto voltaje (HVDCP), e incluso los adaptadores no estándar. Tras la comunicación entre el controlador PD USB y el adaptador, la unidad de gestión de la ruta de alimentación de entrada y de detección de corriente (U1) enciende los MOSFET de potencia espalda con espalda para conectar la tensión de entrada de VBUS a la entrada del cargador reductor-elevador (U2). La unidad de gestión de la ruta de alimentación de entrada también detecta la tensión y la corriente de entrada a través de la resistencia de detección para apoyar la protección contra la sobretensión y la sobrecorriente.

Otros cuatro MOSFET se encuentran en la unidad de carga reductor-elevador (U2) para aumentar o disminuir la tensión de entrada según la tensión de la batería. Se necesita otro MOSFET de potencia y una resistencia de detección de corriente en la salida del cargador reductor-elevador para apoyar la gestión de la ruta de alimentación de corriente directa de voltaje estrecho (NVDC) del cargador PD USB y la detección de la corriente de carga.

La gestión de la ruta de alimentación NVDC es un protocolo de control específico que regula el sistema a una tensión ligeramente superior a la de la batería, y no permite que la tensión caiga por debajo de la tensión mínima del sistema. La tensión mínima del sistema es el nivel de tensión que permite que el sistema funcione incluso cuando la batería está retirada o completamente descargada. Además, si las necesidades de energía del sistema superan la capacidad del adaptador de entrada, un modo de suplemento de la batería admite la necesidad de energía adicional del sistema y evita la sobrecarga del adaptador.

Potencia OTG y FRS

Para soportar la alimentación OTG, el convertidor CC-CC (U3) de la Figura 1 se utiliza para descargar la batería y proporcionar una tensión regulada en VBUS para alimentar los dispositivos externos cuando se retira el adaptador, tal y como exige la especificación USB OTG. Si también se requiere FRS, el convertidor CC-CC debe estar habilitado y mantenerse en modo de espera continuamente, incluso cuando haya un adaptador conectado al VBUS a través del puerto USB Type-C. Si el adaptador se desconecta, los MOSFET de potencia conectados al convertidor CC-CC se encienden y conectan la salida del convertidor para mantener VBUS y habilitar el FRS. Una desventaja de este enfoque es que mantener el convertidor CC-CC en espera aumenta las pérdidas de corriente de reposo del sistema.

Cargador buck-boost integrado de 1 a 4 celdas con USB OTG y FRS

Como se ha visto, el diseño de una solución universal de carga de PD USB que admita OTG y FRS puede ser una tarea compleja. Para las aplicaciones que utilizan de una a cuatro celdas de Li-ion o Li-poly, Texas Instruments ofrece a los diseñadores el cargador buck-boost (reductor-elevador) totalmente integrado que admite todos los rangos de voltaje OTG de entrada y salida para USB Type-C y USB PD, lo que simplifica sustancialmente el diseño de una solución de carga USB PD completa, incluida la compatibilidad con FRS (Figura 2). Un controlador mux de alimentación de entrada dual opcional puede proporcionar soporte para dos fuentes de alimentación de entrada diferentes; un conector USB Type-C en VIN1 y una fuente de alimentación auxiliar en VIN2.

Figura 2: El cargador reductor-elevador totalmente integrado BQ25792 simplifica el diseño de una solución completa de carga PD USB. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El BQ25792 admite una amplia gama de entradas, incluyendo:

• Un rango de tensión de entrada de 3.6 a 24 voltios.
• Detecta los adaptadores USB BC1.2, SDP, CDP, DCP, HVDCP y los no estándar.
• Detección del punto de máxima potencia de fuentes de entrada desconocidas.

El BQ25792 incluye un sensor de corriente de entrada integrado que permite al cargador regular la corriente de entrada y proporcionar una protección de sobrecorriente de entrada para evitar la sobrecarga del adaptador. Además, la circuitería de control y driver de los MOSFET de potencia externos back-to-back está integrada como parte del circuito de protección de sobretensión y sobrecorriente de entrada, sustituyendo las funciones de la unidad de gestión de la ruta de alimentación de entrada y de detección de corriente (U1) de la Figura 1.

La integración de los cuatro MOSFET que se encuentran en la unidad de carga buck-boost (U2) de la Figura 1 permite al cargador BQ25792 soportar la carga OTG. El cargador funciona en modo de carga estándar cuando el adaptador está presente. Si se desconecta el adaptador, el flujo de energía se invierte, pasando de la batería a VBUS. El BQ25792 es compatible con toda la especificación del rango de voltaje PD USB 3.0, de 2,8 a 22 voltios, programable en pasos de 10 milivoltios (mV).

Novedoso método de apoyo a las FRS

La compatibilidad con FRS en el puerto USB Type-C se implementa a través de una función llamada modo de respaldo que elimina la necesidad del convertidor CC-CC (U3) en la Figura 1. El BQ25792 admite una conmutación ultrarrápida de la sección del cargador reductor-elevador del modo de carga directa al modo OTG inverso sin que la tensión del bus caiga fuera de las especificaciones.

En funcionamiento normal, el adaptador se conecta al BQ25792 a través del puerto VIN1, cargando la batería y proporcionando energía al sistema y a cualquier accesorio alimentado a través de la salida PMID. Si el adaptador se desconecta, la batería puede seguir proporcionando energía al sistema, pero los accesorios conectados a la clavija PMID podrían perder energía.

En el modo de respaldo, el cargador supervisa constantemente la tensión VBUS. Cuando VBUS cae por debajo de un nivel de umbral (lo que indica la pérdida de la entrada del adaptador), el cargador cambia rápidamente del modo de carga al modo OTG, descargando la batería, regulando el voltaje VBUS e implementando el FRS, sin necesidad de un convertidor CC-CC adicional. La implementación de FRS con el modo de alimentación de reserva en el BQ25792 asegura que cualquier accesorio conectado al pin PMID no pierda energía cuando la tensión VBUS cae (Figura 3).

Figura 3: La implementación de FRS utilizando el modo de alimentación de reserva en el BQ25792 garantiza que cualquier accesorio conectado al pin PMID no pierda energía cuando la tensión VBUS cae. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El BQ25792 permite elegir entre una frecuencia de conmutación de 1.5 megahercios (MHz) o 750 kilohercios (kHz) para que los diseñadores puedan compensar el tamaño de la solución y la eficiencia en función de las necesidades de la aplicación. El uso de una frecuencia de conmutación de 1.5 MHz permite utilizar valores de inductores (1 micro Henry (µH)) y condensadores pequeños. El uso de una frecuencia de conmutación de 750 kHz consigue una mayor eficiencia, pero da lugar a un mayor tamaño de la solución debido al mayor inductor (2.2 µH) y a los condensadores.

Para prolongar la vida de la batería y minimizar la pérdida de energía, el sistema se apaga durante el tiempo de inactividad, el transporte o el almacenamiento. En el "modo de envío" el I2C sigue habilitado, pero el reloj del sistema del cargador se ralentiza para minimizar la corriente de reposo del dispositivo. En funcionamiento normal, para el funcionamiento solo con batería, la corriente de reposo es de 21 microamperios (µA). En el "modo de envío" la corriente de reposo desciende a 600 nanoamperios (nA).

Para ayudar a los diseñadores a empezar a utilizar el BQ25792, Texas Instruments ofrece la placa de evaluación (EVB) BQ25792EVM para implementar un cargador reductor-elevador síncrono, que proporciona hasta 5 A de corriente de carga con 10 mA de resolución para 1 a 4 celdas (Figura 4). Este EVB incluye una interfaz para cambiar los modos de carga y USB OTG. Además, los usuarios pueden supervisar el estado del cargador, las tensiones y las corrientes, y cualquier fallo con un convertidor analógico-digital (ADC) integrado.

Figura 4: La placa de evaluación BQ25792EVM puede utilizarse para implementar un cargador reductor-elevador síncrono que proporcione hasta 5 A de corriente de carga. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las características adicionales de este EVB incluyen:

• Detección automática de USB, PD USB y entrada inalámbrica, compatibilidad con entradas de 3.6 a 24 voltios
• Selector de fuente de entrada doble para accionar NFET de bloqueo bidireccionales
• Alimentación USB OTG con salida de 2.8 a 22 voltios con una resolución de 10 mV
• Menos de 1 µA de corriente de reposo en modo de apagado/envío
• Numerosos puntos de prueba, puentes y resistencias de detección para soportar las mediciones de tensión y corriente

Conclusión:

Como se ha visto, el diseño de una solución de carga universal PD USB puede ser una tarea compleja, y el diseño de cargadores compatibles con la especificación USB OTG puede llevar una cantidad de tiempo considerable. El proceso de diseño puede complicarse aún más por la necesidad de cumplir con los criterios de control y temporización del intercambio rápido de roles USB (FRS). El resultado puede ser un coste adicional y unos plazos de diseño comprometidos.

Para evitarlo, existen cargadores reductores-elevadores integrados que responden a las necesidades de los diseñadores de dispositivos portátiles en cuanto a la carga USB PD y OTG, el cumplimiento de los criterios de control y temporización USB FRS y la reducción de los tiempos de carga de las baterías de litio, los factores de forma más pequeños, el aumento de las densidades de energía, la reducción de los costes y la aceleración del tiempo de comercialización.

Lecturas recomendadas

1. USB Type-C™, PD USB y USB 3.1 Gen 2: nuevos estándares de velocidad y potencia