USB PD控制器MP5031简介

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概述

MP5031 作为新一代快充芯片可以满足手机和其他设备对快充技术越来越高的要求。这款 USB 供电 (PD) 控制器芯片可兼容 USB Type-C 2.0 和 USB PD 3.0 规范，并支持专用充电端口 (DCP) 方案。MP5031 还支持 BC1.2 充电数据端口 (CDP) 握手协议。本文将介绍 MP5031 的功能特性，并探讨其适用的各种功率范围解决方案。

MP5031综述

MP5031 采用小尺寸 QFN-20 (4mmx4mm) 封装（见图 1）。其紧凑的封装和简洁的外围设备使布局更加方便，而集成的物理层、协议层和策略引擎则保证了稳健的 PD 通信。

图1: MP5031芯片

不同于具有微控制器 (MCU) 的控制芯片，MP5031是一款专用集成芯片 (ASIC)。其尤为突出的是没有复杂的配置要求，而且易于使用、可靠性高、灵活性强。MPQ5031 可与 DC/DC 变换器搭配使用，以支持 15W 至 100W 的全功率范围以及多通道应用。

可配置供电数据对象 (PDOS)

MP5031 提供五个供电数据对象 (PDO) 以支持宽功率范围。PDO可根据不同的应用规格进行配置，其灵活的组合提供了多功能性，可适应各种功率级别。

图 2 显示了 MP5031 的充电波形。

图2: MP5031充电波形

通信协议

MP5031无需外部用户交互即可兼容多种主流协议，如Quick Charge 3.0（QC 3.0）、华为快充协议（FCP）、BC1.2、Apple Divider 3模式、1.2V/1/2V模式。

CDP模式

除了纯充电协议以外，MP5031还支持CDP模式，可以在PD快充时实现接收方与主机之间的数据通信。它可通过 I²C 接口设置 CDP_EN = 1 ，并启用 CPD 模式握手。图 3 显示了 CDP 模式设置。

图3: CDP模式设置

保护功能

MP5031 具有两个可配置的负温度系数 (NTC) 引脚，用于监测 USB Type-C 接口和电路板的温度。如果温升过高，这些引脚还可关断或降低输出功率，以确保安全地快充。

另外，该器件还提供高压 I/O 引脚，以支持外部 DC/DC 变换器的短路保护 (SCP)，包括电池短路保护和 V_BUS 短路保护。

GPIO Pins

MP5031具备多个通用 I/O (GPIO) 引脚，可配置为监测输入电压 (V_IN) 并在输入欠压时降低输出功率。GPIO 引脚和 I²C 接口用于与外部电源变换器的通信。

MP5031的实际应用场景

MP5031 可与其他 MPS 器件一起使用，实现完整的解决方案。

MP5031 与 MP4247组合应用实现 60W 至 100W 解决方案

MP4247 是一款升降压（Buck-Boost）变换器，它可在特定 VIN 条件下以出色的效率提供高达 100W 的峰值输出功率。该器件具有一次性可编程 (OTP) 存储器，非常适合 USB PD 应用。

图 4 显示了MP5031 和 MP4247 的组合应用参考设计。

图 4： MP5031与 MP4247 的组合应用参考设计

这种升降压拓扑解决方案具有以下优势：

集成两个具有低导通电阻的下管MOSFET (LS-FET) 晶体管，以实现更好的散热性能、更小解决方案尺寸，同时降低成本
支持高达 36V 的 V_IN，3.3V 至 21V宽总线电压 (V_BUS)范围
默认支持60W输出功率（最大100W）
具有三个可选频率（250kHz、420kHz 和 600kHz），并提供频率抖动功能以提高 EMI 性能
支持CC消隐功能和线损补偿
具有出色的效率和散热性能

在 60W 的输出功率下，该方案效率可高达 98%，温升仅为 25°C（采用 6.4cmx6.4cm 测试板）（参见图 5）。

图 5：V_IN = 12V 和 60W 输出功率时的效率与外壳温升

该方案默认配置为 5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/3A 和 3.3V 至 21V/3A 增强型 PDO (APDO)。这些配置均支持 CDP 模式以及 DCP 方案（包括 USB Type-C 2.0、USB PD 3.0、QC 3.0、华为 FCP、BC1.2、Apple Divider 3 模式和 1.2V/1/2V 模式）。

图 6 显示了五个 PDO的配置。

图 6：USB-PD 测试配置

MP5031搭配 MP2491C实现 100W 解决方案

MP2491C 是一款具有输出电压调节控制功能的全集成高压降压变换器。该器件的恒定导通时间 (COT) 控制操作可提供快速瞬态响应、简单的环路设计和严格的输出调整率。

图 7 显示了MP5031 和 MP2491C 的组合应用参考设计。

图 7：MP5031 和 MP2491C 组合应用参考设计

MP5031 和 MP2491C组合解决方案具备以下优势：

集成两个具有低导通电阻MOSFET的降压拓扑
默认支持100W输出功率
支持高达 32V 输入电压和 5V 至 20V 的宽输出电压范围
具有 490kHz 固定频率
提供一个外部 I_LIM 电阻，可轻松调节电流限制
支持低压差 (LDO) 模式
V_IN = 21V 时可提供高达 98% 的最大占空比

MP5031 和 MP2491C 组合解决方案在 57°C 温升（采用 3.5cmx3.8cm 测试板）条件下可实现高达 98.5% 的效率（参见图 8）。

图 8：V_IN = 21V 时的效率曲线

固定 PDO 的默认配置为 5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/5A 和 20V/5A。这些配置均支持 CDP 模式以及 DCP 方案（包括 USB Type-C 2.0、USB PD 3.0、QC 3.0、华为 FCP、BC1.2、Apple Divider 3 模式和 1.2V/1/2V 模式）。

图 9 显示了四个 PDO的配置。