高能效、小外形的240W USB PD3.1 EPR適配器的參考設(shè)計

更大容量電池需具備相同或更快充電時間的趨勢正在加速USB-C PD采用更大的功率及更高的輸出電壓， USB PD組織發(fā)布了最新的USB PD3.1 EPR規(guī)范，使得最大的輸出達(dá)到48V 5A, 240W的功率。在設(shè)計USB PD適配器和充電器時，要滿足COC V5 Tier2 等最新的能效標(biāo)準(zhǔn)，并考慮小型化設(shè)計以配合移動便攜式設(shè)備等輕薄短小但功能豐富多樣的趨勢。安森美(onsemi)最新推出的240 W圖騰柱PFC配合最新的高頻準(zhǔn)諧振 (QR)控制器所構(gòu)成的雙管反激變換器 USB PD3.1 EPR適配器和快充參考設(shè)計，模擬協(xié)議控制板支持所有PD 3.1 EPR固定輸出，在230Vac和48V輸出條件下，四點平均能效達(dá)到95.4%，在230Vac和48V5A時，效率高達(dá)96.2%, 待機功耗在100mW以下，遠(yuǎn)超COC V5 Tier2標(biāo)準(zhǔn)，且PCBA尺寸僅89mm x 51mm x 21.5 mm，功率密度為40W/立方英寸，并且采用低成本的雙層PCB設(shè)計，是下一代PD3.1 EPR智能手機快充、筆記本電腦適配器，電動工具快充等的理想選擇方案。

圖1：240W圖騰柱PFC配合高頻QR雙管反激 USB PD3.1 EPR適配器和快充方案

該方案的PFC使用NCP1680 CRM模式，具有谷底同步頻率反走的圖騰柱PFC控制器，配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的iGaN組成高效的PFC電路，在90Vac和滿載情況下PFC的效率高達(dá)97%。 在輕載模式下由后級電路產(chǎn)生skip脈沖信號輸入到NCP1680，使得PFC進(jìn)入強制skip待機模式，輸出電壓在額定值的94%和100%之間波動來降低開關(guān)損耗提高輕載效率。

圖2：240W圖騰柱PFC電路原理圖

PWM部分使用安森美的NCP1345高頻QR反激式脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器，一只半橋驅(qū)動控制器NCP51530和2只iGaN組成雙管反激拓?fù)浼軜?gòu)，使得變壓器可以采用大匝比，電源能近似工作在ZVS狀態(tài)并且漏感能量能被完全回饋到電源輸入端而達(dá)到非常高的轉(zhuǎn)換效率。同步整流控制器NCP4307支持高低電壓供電且外圍電路非常簡單，輸出整流采用120V,4hohm的SJ FET FDMS4D0N12C。

提高工作頻率可縮小電源尺寸，該設(shè)計在PFC工作，輸出為390V、滿載的情況下，頻率達(dá)130~150 KHz，NCP1345 QR反激式拓?fù)?，采用專有的谷底鎖定電路，確保穩(wěn)定的谷底開關(guān)，直至第6個谷底，隨著負(fù)載的進(jìn)一步降低，在空載和輕載時，NCP1345進(jìn)入Quiet Skip和反激式非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，然后過渡到頻率反走模式，以減少開關(guān)損耗，提高空載和輕載能效。谷底鎖定和Quiet Skip實現(xiàn)領(lǐng)先市場的噪聲性能，且由于波形的諧波含量降低，電磁干擾(EMI)性能也得以改善，這可減少所需的EMI濾波器，從而降低成本。NCP1345固有的初級恒流控制使得能很方便的設(shè)計最大的恒流點即OCP保護(hù)值，這個OCP值在所有的輸入及輸出電壓范圍內(nèi)幾乎是固定值。另外NCP1345也提供高低電壓雙供電VCC端子以簡化VCC電路的設(shè)計。

圖3：240W雙管反激同步整流和模擬協(xié)議控制電路原理圖

雙管反激變換器要求N*Vo的設(shè)計必須小于輸入電壓，否則會自動限制占空比導(dǎo)致OCP保護(hù)，所以在變壓器的匝比的設(shè)計上確保5V,9V,12V時N*Vo小于90Vac時的最低輸入直流電壓，這樣在5V,9V,12V時可以關(guān)斷PFC來提高效率，在15V及以上輸出電壓時PFC一直工作以確保雙管拓?fù)淠苷９ぷ鳌?/span>

由于沒有合適的48V的協(xié)議控制器，所以用了431參考基準(zhǔn)配合DIP開關(guān)分立電路來產(chǎn)生輸出電壓控制采樣反饋及PFC控制電路來模擬PD3.1 EPR的工作狀態(tài)，所有這些電路都設(shè)計在一個子板卡上以便未來更換PD子卡，模擬PD協(xié)議板的界面完全兼容當(dāng)前的協(xié)議界面。本參考設(shè)計目前只支持PD3.1 EPR固定的輸出電壓，暫不支持PD3.1 EPR AVS輸出，所以未來只要設(shè)計一個PD3.1 EPR協(xié)議子卡裝上就能支持完整的PD3.1 EPR輸出。

能效測試

該方案在230Vac和5V輸出沒接負(fù)載的情況下，輸入功率小于100mW, 待機功耗及48V下PF曲線如下圖。 在5V小負(fù)載下的效率及各個輸出下0.25W的效率也很好。在115 VAC(藍(lán)色曲線)和230 VAC (紅色曲線)輸入電壓的平均能效和輕載(10%負(fù)載)能效，從下面曲線圖可看到都遠(yuǎn)高于COC V5 Tier 2平均能效標(biāo)準(zhǔn)和COC V5 Tier 2輕載能效標(biāo)準(zhǔn)，由于PFC在5V,9V,12V時停止工作，所以可以看到這幾個電壓下效率較高，28V和48V滿載下的效率也非常高。   

 圖4：待機功耗和能效曲線

圖5：28V和48V的負(fù)載效率曲線

安全保護(hù)功能和恒流控制

該高頻QR USB PD方案集成豐富的安全和保護(hù)功能，包括：精密的瞬時過壓保護(hù)(OVP)、過流保護(hù)(OCP)、短路保護(hù)(SCP)、開環(huán)保護(hù)、X2電容放電等。

OVP保護(hù)可以通過ZCD腳外部的電阻來精確設(shè)定。OCP可以通過變壓器匝比，初級電流感應(yīng)電阻及NCP1345內(nèi)部的恒流電壓參考來設(shè)定精密的恒流輸出值得到。具體設(shè)計可以參考規(guī)格書。

熱性能測試

由于非常高的效率，該方案在沒有加任何導(dǎo)熱材料及主動散熱的情況下，靠自然散熱得到下列的熱成像圖，該熱成像圖是在滿載工作30分鐘后測得。

圖6：240W高頻QR USB PD3.1 EPR適配器參考設(shè)計熱成像