方案解析：高效率、高靈活性的USB－PD充電參考設計

隨著(zhù)USB Type-C商用進(jìn)程的加速，與之同步推進(jìn)的USB-PD功率傳輸協(xié)議的發(fā)展也步入了快車(chē)道。在智能設備的電池容量越來(lái)越大的今天，這一基于新的USB接口標準，能夠承載更高電流(3A或5A)，能夠傳輸高達100W功率，可實(shí)現自適應功率調節的協(xié)議備受矚目。各技術(shù)供應商也紛紛推出了兼容USB-PD的充電解決方案。

前不久，Power Integrations(PI)和Cypress聯(lián)合推出了一款兼容USB-PD協(xié)議的20W AC-DC電源轉換器參考設計DER-533。這一參考設計按照USB-PD標準的Profile 2要求，可通過(guò)標準3A的USB Type-C線(xiàn)纜提供5V/3A和9V/2.2A的功率傳輸。我們今天就來(lái)仔細剖析一下這個(gè)方案。

圖1是一個(gè)典型的USB-PD充電器解決方案示意圖。從中可以看到，在該方案的供電端需要兩個(gè)核心的芯片：一個(gè)是AC/DC電源轉換IC，完成交流到直流的功率轉換，一個(gè)是USB-PD協(xié)議控制IC，運行功率傳輸協(xié)議實(shí)現充電的智能控制。這兩顆器件性能的優(yōu)劣，直接影響到整體方案的表現。

圖1，典型的USB-PD充電器解決方案系統框圖

在上述PI和Cypress推出的參考設計DER-533中，兩家公司分別成為了這兩個(gè)核心器件的供應商。

該參考設計中，AC/DC芯片選用了PI公司的InnoSwitch-CP IC。InnoSwitch-CP采用了PI獨有的FluxLink技術(shù)實(shí)現功率轉換的精確控制。傳統的AC/DC方案，要么采用性能高但是結構復雜的次級反饋控制電路，要么為了簡(jiǎn)化復雜度和降低物料成本而采用初級控制電路，但在性能上進(jìn)行折中。InnoSwitch-CP解決了設計工程師的這個(gè)困擾，它通過(guò)在初級和次級側之間的磁感耦合技術(shù)，使得AC/DC電源系統既能夠具備次級反饋控制電路的性能優(yōu)勢，也能夠具有初級反饋控制電路簡(jiǎn)單性的特點(diǎn)，同時(shí)不需要光耦器進(jìn)行隔離，進(jìn)一步優(yōu)化了BOM成本。

InnoSwitch-CP跨接于初次級隔離帶之間，同時(shí)控制初級主開(kāi)關(guān)管與次級同步整流開(kāi)關(guān)管，可防止兩個(gè)功率MOSFET發(fā)生交越導通，并能夠滿(mǎn)足隔離元件的所有安規及耐壓要求。這也使得該方案具有高效率和高可靠性的特性，它可直接監測充電器的輸出端，達到精確的輸出電壓及電流控制，輸出同步整流MOSFET也由此IC直接驅動(dòng)，從而實(shí)現非常簡(jiǎn)單高效的高可靠性設計。

InnoSwitch-CP可以確保充電過(guò)程中保持恒功率輸出，在不同輸入電壓、負載、溫度及批量生產(chǎn)條件下輸出均能滿(mǎn)足優(yōu)于3%的穩壓精度。在高能效表現方面，該器件在其它類(lèi)似的設計中曾經(jīng)達到過(guò)在整個(gè)功率范圍內效率均高于90%，且空載功耗低于10 mW的優(yōu)異特性。

圖2，PI的InnoSwitch-CP典型AC/DC應用電路

Cypress的CCG2 USB Type-C控制器在這一參考設計中，運行功率傳輸協(xié)議，在供電和受電設備之間建立自適應的充電流程，以確保整個(gè)充電過(guò)程的快速可靠。由于其具有可編程的特性，用戶(hù)可以方便地通過(guò)更新固件，以適應USB-IF 規范的更新修改。

CCG2 USB Type-C控制器集成度很高，包含了一個(gè)ARM Cortex-M0 處理器及32KB 閃存，集成了Type-C 收發(fā)器、終端電阻及系統級的ESD保護電路，并可在出廠(chǎng)前固化滿(mǎn)足USB-IF要求的固件程序。同時(shí)在能耗方面，CCG2的在進(jìn)入“深度睡眠”狀態(tài)時(shí)僅消耗2.5μA電流。因此，與PI的InnoSwitch-CP結合之后，使得參考設計能夠輕松滿(mǎn)足DoE6能效要求，空載功耗低于30 mW。

圖3，CCG2 USB Type-C控制器具有很高的集成度

由于PI和Cypress的這兩顆器件，都具有較高的集成度和簡(jiǎn)化的BOM，這使得最終的方案也具有簡(jiǎn)潔和低成本的特性。這些要素整合在一起，使得該參考設計成為目前我們可見(jiàn)的非常優(yōu)秀的一款USB-PD充電器解決方案。