可編程、小巧及高效零電壓開關(guān)電源IC助USB PD設(shè)計(jì)推陳出新

導(dǎo)讀

2021年5月，USB-IF協(xié)會(huì)發(fā)布最新的USB PD3.1快充標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著USB PD快充技術(shù)迎來了發(fā)展史上的一次重大更新。新標(biāo)準(zhǔn)將為整個(gè)電源行業(yè)帶來新的市場機(jī)遇，尤其是快充芯片、MOSFET、協(xié)議芯片、E-Marker芯片、充電線纜和連接器等相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈獲得重大利好。

作為專注于半導(dǎo)體領(lǐng)域高壓功率轉(zhuǎn)換的技術(shù)創(chuàng)新型公司，Power Integrations（PI）是緊跟行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷創(chuàng)新，為客戶提供各種迎合潮流的電源IC。在德國慕尼黑電子展（Electronica）期間，PI又推出了InnoSwitch?4-Pro系列數(shù)字控制離線恒壓/恒流零電壓開關(guān)（ZVS）反激式IC，助力大幅縮減電源適配器的尺寸。PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan在新品媒體溝通會(huì)上詳細(xì)解讀了這款中功率應(yīng)用的高效解決方案。

回顧InnoSwitch?4-Pro之前

在發(fā)布InnoSwitch?4-Pro之前，PI的產(chǎn)品陣容中已經(jīng)有了具備廣泛適用性的InnoSwitch3-Pro，可以說在USB PD設(shè)計(jì)方面是一脈相承。這次推出的新產(chǎn)品是有源鉗位數(shù)字可編程反激式氮化鎵開關(guān)IC，可以實(shí)現(xiàn)超過95%的效率，且外形小巧，同時(shí)兼容USB PD和通用快充技術(shù)規(guī)范（UFCS）的適配器設(shè)計(jì)，輸出功率高達(dá)220W。

這些高度集成的器件采用穩(wěn)定耐用的PowiGaN氮化鎵初級(jí)開關(guān)，穩(wěn)態(tài)開關(guān)頻率高達(dá)140kHz，有助于縮小磁芯尺寸，并使用平面變壓器，從而減少用于手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦和多端口配件市場的超緊湊適配器應(yīng)用所需的元件數(shù)量和PCB板面積。

Jason Yan表示：“我們現(xiàn)在的大功率產(chǎn)品都在初級(jí)側(cè)集成了氮化鎵開關(guān)，而且集成了很多新的特性和功能。”

他介紹說，早在2015年P(guān)I就推出了USB PD設(shè)計(jì)，包括采用磁感耦合方式實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)信號(hào)耦合；2017年推出第三代產(chǎn)品，采用革新的控制方式以降低在較大功率應(yīng)用當(dāng)中音頻噪聲對用戶的困擾，進(jìn)而適應(yīng)更高輸出功率充電器的使用需求；2018年推出了氮化鎵產(chǎn)品，發(fā)揮了開關(guān)速度快、損耗低的優(yōu)勢。

為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)不做較大改動(dòng)、不改變開關(guān)頻率的情況下進(jìn)一步縮小電源體積，2020年P(guān)I推出了采用氮化鎵開關(guān)的MinE-CAPIM，大大縮減了輸入電容的體積；2021年，PI又推出了第四代的有源鉗位的InnoSwitch產(chǎn)品以及把MCU集成進(jìn)芯片的USB PD應(yīng)用IC。

InnoSwitch4-Pro的效率及其他

Jason Yan介紹說，InnoSwitch3-Pro是一款具有多功能智能接口、方便數(shù)字編程控制的高效功率變換IC，是市面上第一個(gè)將模擬電路和數(shù)字電路集成在一起的功率器件，而一般功率器件都是模擬器件，里面沒有數(shù)字電路。這樣做的好處是可以大大提升開關(guān)電源的智能化水平，利于實(shí)現(xiàn)一些功率特性的高級(jí)管理和控制。

InnoSwitch4-Pro IC內(nèi)部同時(shí)集成了堅(jiān)固耐用的750V PowiGaN初級(jí)開關(guān)、控制器、用于次級(jí)側(cè)控制的FluxLink?加強(qiáng)絕緣反饋鏈路、I2C接口、有源鉗位驅(qū)動(dòng)和同步整流，能夠提供高達(dá)220W的功率。

InnoSwitch4-Pro IC采用獨(dú)特的控制方法，在DCM和CCM中都能實(shí)現(xiàn)ZVS。與ClampZero IC搭配使用時(shí)，該控制方法可支持更高的操作頻率，而不會(huì)造成效率的下降。InnoSwitch4-Pro產(chǎn)品單獨(dú)使用時(shí)，在DCM和CCM模式下還同時(shí)支持準(zhǔn)諧振的開關(guān)工作，還可選擇僅采用DCM模式工作以降低SR FET電壓應(yīng)力。新IC還具有優(yōu)化的命令集以降低I2C數(shù)據(jù)擁堵的可能性。

ZVS結(jié)合PowiGaN?技術(shù)幾乎消除了開關(guān)損耗，效率超過95%，使設(shè)計(jì)人員能夠省去熱管理通常需要的散熱片、導(dǎo)熱片和灌封材料，也進(jìn)一步減輕了適配器的重量。

如果在使用InnoSwitch4-Pro和ClampZero IC之外再使用MinE-CAP?器件，則可以進(jìn)一步減小適配器的尺寸。MinE-CAP IC同樣基于PowiGaN技術(shù)，可將輸入電容的尺寸減小約40%。

InnoSwitch4-Pro是不依賴于協(xié)議的產(chǎn)品，可以和所有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同工作，對電源的各種特性進(jìn)行控制，加上高頻有源鉗位功能，意味著可實(shí)現(xiàn)極小尺寸的設(shè)計(jì)。它支持USB-PD、PPS、UFCS和其他各種客戶定制化協(xié)議，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令輸入，具有增強(qiáng)的報(bào)告功能及更多可編程設(shè)定保護(hù)特性。

Jason Yan解釋說，將增強(qiáng)的I2C接口與InnoSwitch4-CZ有源鉗位高效特性相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無損耗鉗位，也就是初級(jí)鉗位漏感能量的回收再利用。在初級(jí)功率開關(guān)關(guān)斷之后，漏感當(dāng)中儲(chǔ)存的能量會(huì)暫時(shí)放到電容中，在一定時(shí)序控制之后，再把這個(gè)電容儲(chǔ)存的能量通過變壓器釋放到次級(jí)，由負(fù)載消耗掉。傳統(tǒng)電路的漏感能量是被鉗位電路以發(fā)熱形式損耗掉的，而有了有源鉗位，就可以回收再利用漏感能量。

高集成度可極大簡化全數(shù)控高效率電源的開發(fā)和制造。InnoSwitch4-Pro數(shù)字控制的反激電源IC與ClampZero和MinE-CAP配套器件搭配使用，可滿足OEM原裝、非原裝USB PD和通用快充技術(shù)規(guī)范（UFCS）適配器市場應(yīng)用非常需要的超緊湊和纖薄外形的設(shè)計(jì)要求。

InnoSwitch4-Pro反激式開關(guān)IC可提供優(yōu)異的恒壓/恒流精度，不受外圍元件參數(shù)變化的影響，并且在提供輸入電壓檢測等安全及保護(hù)功能的情況下，其空載功耗小于30mW。該器件具有完善的保護(hù)功能，可提供用于輸出過壓和欠壓保護(hù)的自動(dòng)重啟動(dòng)或鎖存故障響應(yīng)方式，以及提供多個(gè)輸出欠壓故障閾值、鎖存或遲滯初級(jí)過溫保護(hù)以及輸出母線開關(guān)短路保護(hù)。

簡化設(shè)計(jì)，支持廣泛應(yīng)用

可編程設(shè)定的高性能功率變換IC InnoSwitch4-Pro支持廣泛的應(yīng)用，PI同時(shí)為推出了兩款參考設(shè)計(jì)DER-960（100W）和RDK-942（65W），可供需要評(píng)估InnoSwitch4-Pro IC的設(shè)計(jì)人員使用。

Jason Yan最后介紹了UFCS，它是中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布的用于配件適配器市場的新興標(biāo)準(zhǔn)，也是中國推廣通用充電標(biāo)準(zhǔn)的一部分。InnoSwitch4-Pro基于中國的快充技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧了中國專有的一些快充標(biāo)準(zhǔn)。其超薄的InSOP?-28D封裝，具有更寬的爬電間距，易于滿足國際各種安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

轉(zhuǎn)載自“PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)”