新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD 解決方案助力移動設(shè)備快速充電

1   移動設(shè)備AC/DC電源適配器之大趨勢

大多數(shù)移動設(shè)備（包括智能手機和平板電腦）都需要AC/DC 開關(guān)電源適配器或充電器為電池充電。我們先來看一下大趨勢。如圖1 所示，大約15 年前，插在墻上的充電器看上去簡單且略顯笨重，其功率通常為5 W 或更低，具有固定的5 V 輸出電壓。大約10 年前，隨著智能手機的推出，整個行業(yè)過渡到了基于USB Type-A 的便攜式電源適配器（Travel Adaptor）。功率增加到了7.5 W 和10 W，輸出電壓仍固定在5 V 左右。

大約7~8 年前，業(yè)內(nèi)開始開發(fā)快速充電解決方案，輸出電壓不再是固定的5 V。它可以配置為9 V、12 V或其他具有不同輸出電流的電壓水平，并且功率通常增加到15 W、18 W 或25 W。這一進步主要是由多家手機端芯片組解決方案提供商和智能手機制造商共同推動的。

近年來，使用USB Type-C 和USB PD 技術(shù)來支持更高功率級別的快充成為了新趨勢。市場上也相應(yīng)出現(xiàn)了各種基于USB PD 的便攜式電源適配器。它們支持的功率達到45 W、65 W 及以上，具有較寬的輸出電壓和電流范圍（3.3~21 V，0~5 A 等）。盡管功率級別增加了，但電源適配器的大小并沒有成比例地增加。消費者喜歡將電源適配器放在口袋里，沒人愿意攜帶一個笨重的電源適配器。這就意味著功率密度變得更高了。

圖1 針對移動設(shè)備的AC/DC電源適配器發(fā)展趨勢

2   快充的工作原理

今天的智能手機（如5G 手機）具備更強的性能，例如更快的處理速度和更大的屏幕，這些都需要由更大容量的電池來供電，目前已達到（4 000~5 000）mAh或更高。但是，電池容量的增大不能以延長充電時間為代價，因為消費者不愿意在電池充電上等待太長時間。所以，市場需要快充，這意味著需要快速地將電能從墻壁插座通過充電器和線纜傳輸?shù)绞謾C內(nèi)部的電池中。而要提高充電速度，則需要更高的功率。大多數(shù)智能手機和平板電腦通過USB 線充電，默認電壓為5 V。通常，線纜和連接器有可通過的最大電流限制，因此電源適配器需要增加其輸出電壓才能提高充電功率。這樣一來，快充電源適配器便不再僅僅以5 V 電壓工作。新的適配器設(shè)計使其可以動態(tài)地配置輸出電壓和電流。當電源適配器初次插入墻壁插座時，其輸出電壓仍為5 V，之后智能手機將根據(jù)手機端的操作條件通過某些通信協(xié)議協(xié)商并請求不同的輸出電壓，電源適配器則可以相應(yīng)地調(diào)整其輸出電壓。快充除了配置電壓外，還可以配置電流限制。有一種稱為“直接充電”的方法，可以繞過手機內(nèi)部基于DC/DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的電池充電電路，直接使用外部的AC/DC 開關(guān)電源為電池充電。這就需要以精細的步長（例如20 mV / 步、50 mA / 步）對AC/DC電源適配器的輸出電壓和電流進行更精確、更嚴格的調(diào)節(jié)，以匹配電池的不同工作范圍和運行狀況（例如：1S 電池典型電壓范圍為3.7~ 4.2 V；2S 典型電壓范圍為7.4~8.4 V）。

3   為什么使用Type-C和USB PD？

實現(xiàn)快充需要適當?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。到目前為止，業(yè)界還沒有統(tǒng)一的快充協(xié)議，基于D+/D- 的協(xié)議（例如高通Quick Charge QC2.0/3.0 和某些OEM 專有協(xié)議）和USB PD 并存，而USB PD 正成為一種新趨勢。USB PD 是建立在USB Type-C 連接器之上的通信協(xié)議，而USB Type-C 是一種新的連接器技術(shù)，它提供了各種擴展的功能，比現(xiàn)有的A 型/B 型連接器具有更多的引腳，可支持高達100 W 的功率以及5A 的更大電流。它的目標是實現(xiàn)真正的通用性、正反可用性和便利性，實現(xiàn)線纜兩端都可以插，接口正反都可以用。它的尺寸小于A 型/B 型連接器，有助于實現(xiàn)小型化設(shè)計。它不僅適用于移動設(shè)備，還適用于計算機、電視和其他消費電子應(yīng)用，并得到所有主要OEM 的支持。借助Type-C 連接器，USB PD 協(xié)議可以在1根線纜中組合、協(xié)商和傳輸電源、數(shù)據(jù)、視頻和音頻信息。USB PD 協(xié)議涵蓋面廣，其標準也在不斷發(fā)展演變中。USB PD 2.0 的標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許多達7 個電壓檔位，每檔都有相應(yīng)的電流限制；而支持可編程電源（PPS）協(xié)議的USB PD 3.0 標準還涵蓋了“直接充電”。這些功能和特性都為消費者帶來了很多便利。

4   常規(guī)USB PD解決方案的局限性

常規(guī)的USB PD 解決方案盡管功能齊全靈活，但對于移動設(shè)備快充應(yīng)用來說，它們?nèi)源嬖谝恍┚窒扌?。它們通常沒有針對AC/DC 功率轉(zhuǎn)換進行優(yōu)化，還具備一些電源適配器并不需要或不適用的功能，例如視頻和音頻模式；它們通?；贒SP 或MCU，具有較高的固有控制器成本；它們需要諸多外部元件，從而導(dǎo)致較高的系統(tǒng)BOM（物料清單）成本；它們可能需要電源硬件工程師編寫軟件或firmware（固件），從而導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計流程和較長的產(chǎn)品設(shè)計周期。移動設(shè)備快充，尤其是智能手機快充，占據(jù)了龐大消費電子市場相當份額，有必要對此應(yīng)用領(lǐng)域進行細分優(yōu)化。

5   應(yīng)對功率轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)

除了通信協(xié)議之外，在功率轉(zhuǎn)換方面，如圖2 所示，快充電源適配器設(shè)計還面臨許多挑戰(zhàn)，例如嚴格的多級恒定電壓和恒定電流（CVCC）控制調(diào)節(jié)、高效率、低待機損耗、快速動態(tài)負載響應(yīng)、高功率密度、小型化、更低的EMI/EMC、強大的保護功能、滿足全球各種電源標準和不同OEM 的特定要求、提供很好的用戶體驗（例如無聽覺噪聲）、實現(xiàn)大批量生產(chǎn)中成本低廉等等。其中，在高功率（45 W 及以上）應(yīng)用中實現(xiàn)高功率密度已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門話題。當然，高功率密度需要更高的效率和更低的功耗；此外，它要求將各種元件尺寸做到最小，并將包括變壓器在內(nèi)的所有功率器件和元件緊湊而恰當?shù)胤庋b到小體積的適配器外殼中，且不會出現(xiàn)過熱或其他問題。

圖2 快充電源適配器設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

在高功率密度領(lǐng)域有多種技術(shù)和方法，例如更高的開關(guān)頻率、諧振拓撲、軟開關(guān)、數(shù)字化智能控制、GaN 器件的恰當使用等。通常，對于AC/DC 反激式拓撲，通過開關(guān)頻率的提升可以減小變壓器的體積并降低傳導(dǎo)損耗，有助于實現(xiàn)更小的外形尺寸。但是更高的開關(guān)頻率也會帶來更高的變壓器磁芯損耗和功率器件開關(guān)損耗。作為軟開關(guān)技術(shù)的一個重要部分，零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)可降低開關(guān)損耗并改善功率開關(guān)器件的工作條件，從而在高開關(guān)頻率運行時實現(xiàn)良好的效率，在滿足尺寸和散熱要求的同時，使總體功率損耗保持在可接受的范圍內(nèi)。

6   Dialog的最新ZVS高功率密度AC/DCUSB PD解決方案

Dialog 致力于AC/DC 功率轉(zhuǎn)換技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)已超過15 年。近年來，Dialog 與行業(yè)合作伙伴和客戶緊密合作，在快充解決方案開發(fā)和市場培育中處于領(lǐng)先地位，發(fā)布了多代產(chǎn)品和解決方案。最近，為了滿足行業(yè)和市場需求，Dialog 推出了最新的ZVS 高功率密度USB PD 解決方案。該方案基于iW9801 和iW709芯片組，如圖3 所示。

圖3 采用iW9801和iW709的ZVS高功率密度USB PD解決方案的典型應(yīng)用電路

作為一個顯著特點，該解決方案使用了具有輔助繞組和低側(cè)輔助開關(guān)（Aux. Sw）的ZVS 反激式拓撲。在打開主開關(guān)（Main Sw）之前，輔助開關(guān)（Aux.Sw）會短暫導(dǎo)通一小段時間，使變壓器的電感和線路中的寄生電容產(chǎn)生諧振運行，從而降低主開關(guān)的電壓。

通過Dialog 的自適應(yīng)ZVS 專利控制技術(shù)，在線路輸入交流電壓、輸出直流電壓和負載電流的全范圍運行條件下為主開關(guān)創(chuàng)建一個優(yōu)化的ZVS 導(dǎo)通條件。在主開關(guān)關(guān)斷時ZVS 輔助繞組還部分回收了變壓器漏感上的能量，并降低了關(guān)斷損耗。與有源鉗位反激式（ACF）拓撲相比，這種ZVS 拓撲可以降低成本，因為它不需要高側(cè)驅(qū)動器和高壓輔助開關(guān)器件（通常600 V 或更高），而測試結(jié)果表明它可以達到與ACF 拓撲幾乎同等的效率。

該解決方案將iW9801 用作初級側(cè)控制器，iW709用作次級側(cè)控制器。iW9801 使用先進的數(shù)字控制技術(shù)來實現(xiàn)自適應(yīng)ZVS 和其他高性能功能，適用于45 W 及以上功率的快充應(yīng)用。電源適配器的體積取決于滿載效率和開關(guān)頻率。為了滿足各種能效標準，實現(xiàn)在全負載范圍的高效率而不帶來聽覺噪聲等問題，iW9801 采用了一種Dialog 的自適應(yīng)多模式專利控制策略，在滿載和重載時采用高頻的PWM 模式，從重載到輕載開關(guān)頻率則相應(yīng)降低，其調(diào)制方式依次為PWM、PFM、DPWM（Deep PWM） 和Burst 模式。iW9801 內(nèi)置了主開關(guān)和輔助開關(guān)的驅(qū)動器。其自適應(yīng)ZVS 根據(jù)適配器實時運行信息，采用準確的數(shù)字算法，逐個開關(guān)周期動態(tài)地調(diào)整ZVS 控制時序。因此，無論輸入輸出電壓及負載如何變化或者更換何種主MOSFET，自適應(yīng)ZVS 都可以靈活應(yīng)對，并保證ZVS 的優(yōu)化實現(xiàn)，從而大大降低開關(guān)損耗并可實現(xiàn)較低的EMI。在上述功能基礎(chǔ)上iW9801 還提供了一系列內(nèi)置的強大保護功能。

iW709 集成了3 種次級側(cè)的控制功能：USB PD3.0 協(xié)議支持、MOSFET 同步整流器（SR）的驅(qū)動控制、反激式拓撲次級側(cè)調(diào)節(jié)（SSR）。iW709 已通過USB-IF 對PD3.0（含PPS）的權(quán)威認證測試，實現(xiàn)了以精細的步長（20 mV / 步、50 mA / 步），支持3.3~21 V 寬范圍輸出。iW709 協(xié)議功能同時支持高通Quick Charge QC4+，針對快充電源的要求和特性進行了優(yōu)化，并集成了USB VBUS 開關(guān)驅(qū)動控制，為外部設(shè)備提供保護。iW709 的SR 控制單元針對高頻應(yīng)用優(yōu)化了SR MOSFET 開/ 關(guān)時序，并使用專利技術(shù)針對ZVS 或ACF 進行實時優(yōu)化控制。它具有自適應(yīng)驅(qū)動電壓，可以保證快速關(guān)斷，從而對CCM 控制提供更好的支持。它的智能化精準電壓檢測可以防止同步整流管誤導(dǎo)通。自適應(yīng)時序控制使芯片應(yīng)用于更寬的頻率范圍，接受更大的系統(tǒng)容差。在電壓電流閉環(huán)控制方面，iW9801/iW709 芯片組能以非常精細的步長實現(xiàn)準確的多級電壓電流CVCC 調(diào)節(jié)，并在典型的45 W 設(shè)計中滿足低于20 mW 的空載待機損耗要求。借助芯片內(nèi)置的SSR 數(shù)字補償，該芯片組消除了對外部環(huán)路補償元件的需求，同時在所有工作條件下保持穩(wěn)定性。

與常規(guī)的USB PD 控制器相比，iW709 特別針對AC/DC 功率轉(zhuǎn)換進行了優(yōu)化，包括：

●   專門為便攜式電源適配器應(yīng)用簡化了設(shè)計，去掉了電源不適用或不需要的功能（例如：視頻和音頻模式）。

●   使用基于狀態(tài)機的數(shù)字邏輯，并進行了優(yōu)化處理，降低了自身成本。

●   需要較少的外部元件和系統(tǒng)BOM 成本。

●   無需編寫軟件或firmware，簡化了系統(tǒng)設(shè)計流程，加快了產(chǎn)品設(shè)計周期。

圖4 顯示了一個采用iW9801/iW709 解決方案的65 W ZVS USB PD 便攜式電源適配器設(shè)計樣品照片。它完全支持PD3.0 協(xié)議以及PPS，包含多種輸出：5V3A、9V3A、15V3A、20V3A、20V3.25 A、15V_prog（3.3V-16V/3A） 和20V_prog（3.3V-21V/3A）。對于15 V 輸出，在115 V AC 下測得的滿載效率為93.23％，在230 V AC 下測得為94.02％；對于20 V輸出，在115 V AC 下測得的滿載效率為93.08％，在230 V AC 下測得為93.93 ％。該65 W 設(shè)計使用Silicon MOSFET 作為功率開關(guān)器件，全部元器件裝在單塊PCB（印制板）上，并已經(jīng)過全面測試，滿足所有電氣、散熱和安全要求。

圖4 采用了 iW9801和iW709的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計樣品照片

除了支持高功率（45 W 及以上）及高功率密度的基于iW9801 的ZVS 解決方案之外，Dialog 還推出了以iW9809 為初級側(cè)控制器的準諧振（QR）解決方案，目標應(yīng)用是低成本低功率（40 W 及以下）的場合（圖5）。iW9809 控制反激式電路中的單個功率開關(guān)，不使用ZVS 輔助開關(guān)。它的準諧振方式采用Dialog 的恒定開關(guān)頻率QR 專利技術(shù)，與自適應(yīng)多模式開關(guān)調(diào)制策略（PWM、PFM、DPWM 和Burst）無縫對接共同運行，可為目標應(yīng)用實現(xiàn)最佳的尺寸、高效率、低EMI 共模噪聲和低聽覺噪聲等良好性能。與iW9801 相似，iW9809 可以與iW709 配合使用，實現(xiàn)優(yōu)化的低成本USB PD 解決方案，同時空載待機損耗低于20 mW。

圖5 采用iW9809和iW709的低成本USB PD 解決方案典型應(yīng)用電路圖

7   結(jié)論

當前，AD/DC 快充領(lǐng)域正迅速向高功率等級、高功率密度、小型化、全面支持多種通信協(xié)議（包括USB PD）、高性能、低成本等方向發(fā)展。本文探討了一些相關(guān)的發(fā)展趨勢、關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，并介紹了Dialog 最新的基于iW9801 和iW709 芯片組的ZVS 高功率密度USB PD 解決方案。沿著這個方向，在業(yè)界人士不懈努力創(chuàng)新中，下一代快充技術(shù)必將更上一個臺階，以更優(yōu)異的產(chǎn)品和方案滿足廣大消費者的需求。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年5月期）