TYPE-C单芯片双向充电移动电源解决方案

2017-5-15 19:46:40 4661

ETA9740,ETA9741单芯片TYPE-C双向充放移动电源解决方案

一．BOM物料成本表：

如上述原理图，是在一个稳定可靠的ETA974X自识别电路的基础上，加入了震动开关触发电路。当摇动开关的时候，即能够触发电量显示。

序号	数量	位号	元器件值	描述
1	1	C5	CAP0603,1uF	BAT引脚退藕电容
2	1	C9	CAP0603,0.1uF	MCU的ADC退藕电容器
3	3	C1-2	CAP0805,22uF	BAT输入旁路电容
4	2	C3-4	CAP0805,22uF	输出电容，非常关键！
5	1	U1	ETA9740/9741,ESOP8	2.1A充放SOC移动电源芯片
6	2	Q1	MMBT3906,SOT23	PNP三极管
7	2	R1-2	RC0603,1k	电量灯限流电阻
8	1	R3	RES0805,51R	电量触发负载电阻
9	1	R5	RES0603,75k	充电电流预设电阻，Iset=180k/R5
10	1	R4，R6	RES0603，5.1k	TYPE-C cc协议电阻，下拉5.1k或上拉10k
11		S1	4X4 key	轻触式按键开关，常开
12	1	L1	2.2uH,CD54	电感器。CD54即可
13	1	USB1	USB_AF_SMT	USB母座
14	1	USB3	MICROUSB-15MK	MicroUSB母座
15	1	USB2	TYPE-C FM_CONNECTOR	TYPE-C 母座，插贴18pin

二．电路分析：

1. ETA9740,ETA9741自成一个完整独立的应用电路：

如上图，ETA9740，ETA9741自成一个完整的移动电源电路，其能够自动进入轻载模式，并关闭显示灯。当接驳负载，且负载电流大于30-100mA时，能够触发电量显示。

2. MICROUSB,USB-AF,TYPE-C端子采用总线式并联布线方法

ETA9740，9741(ETA9750,9751)的各USB端子的布线方式非常简单。采用先进的总线式布线架构，能够自动的识别外部AC适配器输入抑或是外部负载，从而相应的进入充电状态或放电状态。该走线无需严谨，位置随意，走通即可。

一般情况下，应该在各USB端子放置一个0.1UF-22UF的电容器。尤其是对于那些需要过EMC认证的客户，应该就近端口放置一个较大容量的电容器（譬如10-22uF）。

3. 关于TYPE-C 的多种工作模式。

我们知道，严格的TYPE-C是具有多重协议的，这可以让他工作在以下多种模式。由于TYPE-C是一个标准化的协议，因此，几乎所有市面上众多的手机，笔记本电脑（如surface，mac pro）都是符合这个要求的。

工作模式	电压	最大电流	备注
USB 2.0	5V	500 mA	基于基本规范中定义的默认电流
USB 3.1	5V	900 mA	基于基本规范中定义的默认电流
USB BC 1.2	5V	高达 1.5 A	传统的充电
USB Type-C 电流@ 1.5 A	5V	1.5 A	支持更高的功率的产品
USB Type-C 电流 @ 3.0 A	5V	3A	支持更高的功率的产品
USB PD	5V, 12V, 20V	1.5A, 3A, 5A	可控制输出功率水平

上面6种TYPE-C支持的协议中，都是从新往旧，向下兼容的。也就是说，支持USB-PD的主机（适配器）或从机（手机），都支持USB2.0，USB3.1，USB BC1.2 USB TYPE-C 1.5A,USB TYPE-C3.0A等等。 USB PD最大的特性就是，支持更高的输入、输出电压。但是，这对于BUCK电路，如充电头，车充等等都非常容易实现且更高的输出电压，带来了更高的转换效率。

但是，对于使用单节多并锂电池供电的移动电源来说，由于采用了boost架构，因此，从3.7V升压至12V的效率，远比3.7V升压至5.0V的效率要低得多，更大的压降，导致了在能量变换过程中更大的损耗和浪费。

在目前来说，除非采用足够多且低导通阻抗的外部N-MOS开关管，否则要满足USB PD 12V,20V变换时，效率始终为人诟病。因此，ETASOLUtiON为市面上的主流方面提供了一个超低成本和符合TYPE-C的USB协议（不含PD），来实现了超低成本的TYPE-C完美解决方案。

我们的做法是，采用TYPE-C的 5v@3A模式（当然也能向下兼容更新阶梯的TYPE-C USB-PD，但只是不会处于9V,12V）。也就是说，采用TYPE-C的5V@3A模式，是肯定支持市面上所有的适配器的，不管是5V-500MA，笔记本u***,5V-1A,5V-2A,5V-3A,5V-100A,USB PD适配器（5V,9V,12V-15W），QC2.0，QC3.0适配器，都是完全支持的。因为他们都通过TYPE-C的CC进行沟通通讯。不过，无论是该移动电源作为主机DFP还是从机UFP时，都在协议层通讯中锁定为5V。

4. ETA9740 TYPE-C应用中的CC通讯设计。

一般来说，传统的采用TYPE-C握手协议IC的移动电源（如小米移动电源 10000mAh高配版），采用了类似的解决方案。

即使采用了这么复杂的电路，但产生的效果，和ETA9740是类似的。其内部采用了CC协议沟通IC主要是实现以下功能：

A. 通过CC通讯，判断本身和对方，谁是DFP(主机)，谁是UFP(从机)

B. 握手，DFP（主机）输出能量；UFP(从机)接收能量。

而ETA9740，9741大幅度简化了这一过程。这是因为：

C. ETA9740能够自动判别进入充电模式或升压放电模式。

空载时，ETA9740会空载输出一个5.0V的电压，并且会不停检测外部输入电源或外部负载。当检测到外部负载时，则自动进入放电BOOST模式；当检测到外部适配器输入时，则自动进入BUCK充电模式。

D. 在type-C的USB MODE下，譬如，5V-3A模式，只需要给CC引脚2个10k上拉或者2个5.1k下拉即可满足。

根据TYPE-C USB模式协定，当上拉10k时，则该设备识别为DFP主机模式（对外BOOST放电）；当下拉5.1k时，则该设备识别为UFP从机模式（对内BUCK充电）。

因此，使用ETA9740做TYPE-C可以达成以下功能：

E. ETA9740 & TYPE-C座子的CC引脚上拉10k（主机模式）：

采用了完整的5V@3a TPYE-C输出硬件协议，能够使用C-C线（两头都是C口）给所有TYPE-C的设备以5V-3A的协议放电。包括所有的手机或平板！！没错！！（苹果macbook；微软surface；谷歌nexus6p；三星NOTE7，S8；国内的华为P9，MATE9；小米4c，小米5；乐视；魅族；LG），以真正的5v-3a协议给设备充电。使用的则是下面的C<->C数据线（这一般在国外比较常用，如SURFACE，MACBOOK,NEXUS）

支持几乎所有的适配器，但不支持苹果macbook的原装适配器。

这里解释下，为什么能支持给苹果macbook放电，但不支持苹果macbook的适配器给移动电源充电呢？这是因为苹果设备的协议非常严格，而移动电源的CC引脚是上拉了10k电阻，这使得macbook的适配器认为移动电源是一个主机DFP,而适配器自己也是主机，所以，macbook适配器就干脆不输出了。

F. ETA9740 & TYPE-C座子的CC引脚下拉5.1k（从机模式）：

采用了完整的5V@3ATPYE-C输入硬件协议，但同时能输出。支持所有的适配器输入充电，任何type-c口的，还是USB口的，都会以5V-3A的硬件协议进行充电。

能够使用C-C线（两头都是C口）给TYPE-C的设备以USB的协议放电。包括微软surface；谷歌nexus6p；三星NOTE7，S8；国内的华为P9，MATE9；小米4c，小米5；乐视；魅族；LG。但不支持苹果macbook（因为苹果macbook认为该移动电源是从机，所以，就不接受移动电源的电能输入了）。

所以，这里描述一下CC上拉或下拉的定义：

CC定义	模式	协议	兼容性1	兼容性2	不兼容性3
上拉10k	DFP主机模式	5V@3A	真正主机协议，使用CC线，对所有type-c设备放电	支持几乎所有typec-c充电器或数据线充电	不支持苹果macbook的TYPE-C充电器
下拉5.1k	UFP从机模式	5V@3A	真正从机协议，但使用CC线缆，对几乎所有type-c设备放电	支持所有typec-c充电器或数据线充电	不能给苹果macbook放电

G. TYPE-C座子上CC引脚的接法：

做DFP主机时，如右下图：CC1，CC2分别独立的上拉到VUSB电压上。

做UFP从机时，如左下图，CC1，CC2分别独立的下拉到GND大地。

无论是DFP还是UFP模式，18pin TYPE-C座子的A6，A7，B6，B7焊点都需要短接在一起。

5. 关于按键触发电量显示。

A. ETA9740并没有专门的引脚用于接驳按键，但是，由于ET9A740具备负载识别功能，所以，我们可以借助他这个功能，来使用按键来导通一个小负载来触发电量显示。ETA9740触发电量显示的条件： USB负载电流大于100mA。

如上图，由于VUSB电压为5.0v左右（即使在空载时），所以，一旦按下按键，则通过R3电阻的电流大概为：I=VUSB/R3=5.0V/51Ω≈100mA。因此，能够触发电量灯显示。一旦轻按后释放按键，ETA9740会自动延时电量显示6秒左右！

B. ETA9741有专门的按键引脚。

I) ETA9741是在ETA9740的基础上，增加了手电筒和按键的功能。它的功能如下：

a) 仅短按0.2秒以上，电量显示延时6秒后灭；

b) 长按0.8秒以上，电量显示保持，手电筒点亮。

再长按0.8秒以上，手电筒灭。电量显示延时6秒后灭。

如果你的产品不使用手电筒功能，那么，你可以把ETA9741当ETA9740来使用（或者电路上可以做到兼容处理）。因为ETA9741同样可以像ETA9740那样，通过按键来导通一个小负载来触发电量显示6秒。

三． LAYOUT布线注意事项。

A. Cbat应该尽可能靠近芯片端。

如上图，ETA9742的PIN6是BAT引脚，这是一个小信号输入引脚。这个电流是流入到芯片PIN6的，是电池电压反馈引脚，用于电池充电电压的反馈。因此，这个引脚，走线可以很小，也可以很绕，但需要远离电感器，并且使用一个1uF的电容器尽可能的对AGND（模拟地，芯片底部PIN9），这样能够保证芯片工作的稳定。

B. 确保电路最小系统的可靠性。

如下图，构成了ETA9740,9741的最小系统。这里面有两层意思，一是有了这下面几个元器件，电路就能工作；二是下面的元器件应该尽可能的靠近芯片且符合规则。如下图，这个最小系统的网络名如下：

从上图我们可以看到，Co1,Co2;Cb1,Cb2的地，都应该尽可能的靠近ETA9741的PIN8(即PGND引脚)。这是因为，无论是升压5V的过程，还是对电池充电的过程，都会有大电流走过PGND和Vu***。所以，首先地，Co1,Co2必须，必须，必须（重要的事情说三次）尽可能的靠近芯片的PIN7,PIN8引脚，这是升压5V时的关键输出电容器，这很关键。

如上图，蓝色框图内是ETA9741的内部升压架构。当内部PWM驱动信号为高电平时，MOSFET导通,VBAT电源通过电感器-》MOSFET到PGND（如红色走向）。当PWM为低电平时，电感器因为要保持电流流向，因此，电能通过从A->B继续前进，加上VBAT的输入电压叠加在一起，并通过二极管SS14继续向前，产生了比VBAT更高的电压,这个叠加的电压，就通过COUT电容器进行储存。（如绿色走向）

从上图可以看到，Cout电容器非常关键，且必须尽可能靠近蓝色框。因为FB内部反馈电阻器是集成在IC的VOUT引脚的，如果输出电容离Vout引脚远的话，Vout引脚的噪声就会很大，那么，FB分压电阻网络中的FB反馈电压就不准确了，容易产生各类不确定的问题。

另一方面，CB1，CB2也要靠近芯片PGND和电感器端，这是因为电池充电是采用了一个反向的路径所致。

如上图，蓝色框为ETA9742等效的充电框图。内部集成了一个P-MOS，当PWM为低电平时，P-MOSFET导通，此时，电流从VUSB到P-MOS到电感器——》BAT电池端。（如红色走向）

当PWM为高电平时，P-MOS关闭。而电感器由于要保持之前的电流走向，会持续从电感器的A端流向B端，流经电池正极-》电池负极（PGND）-》肖特基二极管，再回去电感器的A端。(如绿色走向）

另一方面，ET9A742的PIN6为BAT反馈电压输入端，通过内部分压电阻网络来反馈FB电压给内部比较器。

因此，Cb电容器需要很靠近电感器的B点。额外的，ETA9742的PIN6应该连接到电池节点，而不是电感器的B点了！这很关键，因为PIN6需要检测的是电池的真实电压，而电感器的B节点（即Cb电容器的正极）可能会产生一定的噪声。所以，BAT反馈电压输入走线，可以很绕也没关系，可以靠近一些恒定功率走线，如Vout线，Vin线，但绝对不能靠近电感器的开关走线，特别是SW端（PIN1）。如下图，无论是走线A，还是走线B，都能够给BAT引脚提供干净、平稳的电池电压信号！

6. ETA974X选型。

以下三款型号都可以满足摇一摇功能。具体根据情形选择：

型号	充电电压	充电电流	放电电流	4 LED电量显示	自动负载识别	手电筒	TYPE-C支持	待机电流@3.7V
ETA9740	4.2V	3A内可设	2.1A	√	√		√	80uA
ETA9741	4.2V	固定2.1A	2.1A	√	√	√	√	80uA
ETA9750	4.35V	3A内可设	2.1A	√	√		√	80uA

7. 电性能测试：

ETA9740，ETA9741电池BOOST升压放电 Tc=25℃						ETA9740 CHARGE充电测试 Tc=25℃ Rset=68kΩ
Vbat（V）	Ibat（A）	Vout（V）	Iout(A)	η	IC温度(℃）	Vin（V）	Iin（A）	Vbat（V）	Ibat(A)	η	IC温度(℃）
3.1	1.7591	4.9954	1	91.60%	40.5	5	1.73814	3	2.5834	91.18%	69.7
3.5	1.5301	4.9954	1	93.28%	45	5	1.97624	3.5	2.5689	92.72%	70
3.7	1.436	4.9954	1	94.02%	43.3	5	2.08258	3.7	2.5755	92.72%	69.4
4	1.3149	4.9954	1	94.98%	42.3	5	2.24639	4	2.5787	92.94%	69.5
4.2	1.2452	4.9954	1	95.52%	-	5	2.29866	4.1	2.5821	92.96%	68.6
4.35	1.1975	4.9954	1	95.90%	-	Vin（V）	Iin（A）	Vbat（V）	Ibat(A)	η	IC温度(℃）
Vbat（V）	Ibat（A）	Vout（V）	Iout(A)	η	IC温度(℃）	4.8	1.8044	3	2.5754	91.91%	71.3
3.1	2.7519	5.0013	1.5	87.94%	73	4.8	2.06639	3.5	2.5747	91.90%	70.8
3.5	2.3553	5.0013	1.5	91.00%	63.9	4.8	2.17002	3.7	2.5737	84.39%	69.4
3.7	2.2048	5.0013	1.5	91.96%	56.5	4.8	2.34461	4	2.5914	92.04%	69.7
4	2.0153	4.9907	1.5	92.87%	55.7	4.8	2.40805	4.1	2.6031	92.43%	68.4
4.2	1.9014	4.9907	1.5	93.74%	54.4	Vin（V）	Iin（A）	Vbat（V）	Ibat(A)	η	IC温度(℃）
4.35	1.8262	4.9907	1.5	94.24%	52.7	4.7	1.83785	3	2.5732	89.25%	71.8
Vbat（V）	Ibat（A）	Vout（V）	Iout(A)	η	IC温度(℃）	4.7	2.1114	3.5	2.5775	89.29%	71.5
3.5	3.435	4.9267	2.1	86.06%	自动OTP中	4.7	2.20684	3.7	2.5673	89.22%	71.1
3.7	3.2472	5.0081	2.1	87.53%	自动OTP中	4.7	2.2081	4	2.4088	89.46%	66.4
4	2.9356	5.0128	2.1	89.65%	89.5	4.7	2.19351	4.1	2.3446	89.45%	64.6
4.2	2.7585	5.0128	2.1	90.86%	83
4.35	2.6413	5.0128	2.1	91.62%	79