搭配IP2312单节电池Buck快充方案,搭配6.1V OVP前端保护电路图

USB-C充电方案:过压保护 + IP2312/IP2305充电IC

前端OVP保护 + 后级充电管理 完整设计参考

一、方案概述

在USB-C充电系统设计中,前端过压保护(OVP)是保护后级充电IC和电池安全的第一道防线。本文介绍两套基于PW2609A过压保护芯片的完整USB-C充电方案:

• 方案一:PW2609A + IP2312 ------ 单节电池降buck充电方案,支持大电流快充

• 方案二:PW2609A + IP2305 ------ 双节电池线性充电方案,简洁低成本

两套方案均采用PW2609A作为USB-C输入端的前端OVP保护,当输入电压超过6.1V(默认阈值)时,50ns内快速切断电源通路,保护后级充电IC及电池不受损坏。

二、前端OVP保护:PW2609A核心参数

PW2609A是平芯微半导体推出的高耐压、大电流、超低内阻过压保护芯片。在上述两套方案中,PW2609A作为U1放置在USB-C连接器与后级充电IC之间,实现对VBUS电压的实时监测和过压切断。

在本方案中,PW2609A的VOVP引脚(Pin 1)直接接地,使用内部默认6.1V过压保护阈值,精确匹配5V USB输入的保护需求。EN引脚(Pin 2)通过X标记悬空(内部下拉为低电平),芯片常开工作。CIN和COUT均为1μF/35V陶瓷电容。

三、方案一:PW2609A + IP2312 单节电池Buck充电方案

3.1 方案特点

• 拓扑结构:USB-C输入 → PW2609A(OVP保护)→ IP2312(同步降压Buck充电)→ 单节锂电池

• 充电方式:同步降压开关充电,效率高、发热低

• 充电电流:由R5(0.5Ω)采样电阻和RICHG引脚设定

• 温度监控:外接NTC热敏电阻(100K@25°C,B=4100)实时监测电池温度

• USB-C兼容:CC1/CC2各接5.1KΩ下拉电阻,标识为Sink设备

3.4 IP2312芯片简介

IP2312是英集芯(Injoinic)推出的单节锂电池同步降压开关充电芯片,支持最大3A充电电流,内置同步整流MOSFET,充电效率高达92%以上。支持恒流/恒压(CC/CV)充电模式,内置DPM输入电压动态管理功能,防止输入电压跌落。配合PW2609A的前端OVP保护,实现从输入到电池的完整安全保护链路。

工作流程:

  1. USB-C插入 → VBUS 5V电压通过PW2609A的VIN(Pin4)/VCC(Pin5)进入芯片
  2. PW2609A检测到VIN<6.1V,内部MOSFET导通,VOUT(Pin3)输出≈VIN
  3. VOUT电压进入IP2312的VIN引脚,启动Buck降压充电
  4. IP2312通过电感L1(1μH)和采样电阻R5(0.5Ω)实现对电池的CC/CV充电
  5. 如适配器故障输出>6.1V → PW2609A在50ns内切断,保护IP2312和电池
    四、方案二:PW2609A + IP2305 双节电池线性充电方案
    4.1 方案特点
    • 拓扑结构:USB-C输入 → PW2609A(OVP保护)→ IP2305(线性充电)→ 双节串联锂电池
    • 充电方式:线性充电,无需电感,外围极简
    • 电池配置:双节串联锂电池(BAT+、BM、BAT-三端接口)
    • 状态指示:LED引脚、CH引脚、B1_SAT/B0_SAT电池状态输出
    • 成本优势:无电感、无采样电阻,BOM成本极低

    4.4 IP2305芯片简介
    IP2305是英集芯(Injoinic)推出的双节串联锂电池线性充电管理IC。内置均衡充电功能,自动检测并平衡两节电池电压差异,确保双节电池充电一致。充电截止电压8.4V(4.2V×2节),带有B1_SAT/B0_SAT各节电池充满指示输出。由于采用线性充电拓扑,无需外部电感,电路极为简洁,特别适合小容量双节电池应用。
    工作流程:
  6. USB-C插入 → VBUS 5V电压经PW2609A保护后输出至VIN
  7. VIN进入IP2305的VIN引脚(Pin 8),启动线性充电
  8. IP2305对双节串联电池(BAT+/BM/BAT-)进行均衡充电
  9. 充电中LED亮起,充满后B1_SAT/B0_SAT输出状态
  10. 如适配器过压>6.1V → PW2609A立即切断,保护双节电池安全

    六、PW2609A在充电方案中的核心价值
  11. 50ns极速保护,比充电IC自带OVP快100倍
    大多数充电IC内置的OVP功能响应时间在微秒级(5~50μs),而PW2609A的OVP响应仅50ns,快了约100倍。在USB热拔插产生的纳秒级电压尖峰面前,只有专用OVP芯片才能提供有效保护。
  12. 35mΩ超低内阻,不影响充电效率
    PW2609A在3A充电电流下的压降仅为35mΩ×3A=105mV,功耗仅0.035×9=0.315W,几乎不影响系统整体充电效率,且不需要额外散热设计。
  13. 45V耐压,覆盖所有USB PD电压等级
    即使适配器PD协议通信错误导致输出20V、甚至更高异常电压,PW2609A的45V耐压可以完全承受并可靠关断,不会因过压击穿而失效。
  14. 6.1V默认阈值,5V USB应用零设置
    对于标准5V USB充电应用,VOVP引脚直接接地即可使用6.1V默认保护阈值,无需任何外部设定电阻,进一步简化BOM。如需支持9V/12V PD快充,可通过R1/R2电阻调高OVP阈值。
  15. 软启动防浮涌 + 过温自恢复
    上电时内部软启动防止电容充电浮涌电流冲击USB接口。芯片结温超过150°C时自动关断,冷却后自动恢复,系统安全可靠。
    七、USB-C接口设计说明
    两套方案的USB-C接口设计相同:
    • CC1和CC2引脚各通过5.1KΩ±1%电阻下拉到GND,符合USB-C规范中Sink设备的要求
    • VBUS直接连接到PW2609A的VIN引脚,作为充电电源输入
    • D+/D-数据线可根据实际需要连接(此方案中未使用)
    • GND引脚连接至系统公共地
    这种配置使得任何支持USB-C的Source设备(充电器/电脑等)均可为本设备提供默认5V电源。
    八、设计注意事项
  16. PW2609A布局
    • CIN(1μF/35V)紧贴VIN引脚放置,缩短输入环路
    • COUT(1μF/35V)紧贴VOUT引脚放置
    • VIN到VOUT的大电流走线尽量短粗(≥0.5mm宽度)
    • VOVP引脚接地走线应远离大电流路径
  17. IP2312布局(方案一)
    • 电感L1应尽量靠近IC的SW引脚,缩短开关环路
    • 采样电阻R5紧贴IC的ICHG引脚,减小采样误差
    • 输入电容C1+C2紧贴VIN引脚,抑制输入纹波
    • NTC热敏电阻应紧贴电池放置,确保温度采样准确
  18. IP2305布局(方案二)
    • 由于是线性充电,IC本体发热较大,应确保良好散热
    • 电池连接线(BAT+/BM/BAT-)应尽量短粗,减小压降
    • GND pad(如有)应良好的接至地铜皮
  19. 通用建议
    • 所有电容推荐使用X5R/X7R陶瓷电容(MLCC),避免使用电解电容
    • CC电阻5.1KΩ必须使用±1%精度,确保Source设备正确识别
    • USB-C连接器的GND引脚应多点接地,减小接地阻抗
    九、应用场景
    方案一(PW2609A + IP2312)适用:
    • 移动电源/充电宝:单节大容量锂电池,需要3A快速充电
    • 蓝牙音箱:单节锂电池供电,需要2A以上充电电流
    • 智能穿戴设备:智能手表、VR眼镜等单节电池产品
    • 小型无人机/电动工具:单节大容量快充需求
    方案二(PW2609A + IP2305)适用:
    • TWS蓝牙耳机充电仓:双节小电池,低电流充电
    • 双节电池手电筒:简单充电需求,成本敏感
    • 小型双节电池设备:电子烟、小风扇等
    • 儿童玩具/LED灯具:双节串联电池充电,成本优先
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