可編程、小巧及高效零電壓開(kāi)關(guān)電源IC助USB PD設計推陳出新

導讀

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

作為專(zhuān)注于半導體領(lǐng)域高壓功率轉換的技術(shù)創(chuàng )新型公司，Power Integrations（PI）是緊跟行業(yè)標準不斷創(chuàng )新，為客戶(hù)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系列數字控制離線(xiàn)恒壓/恒流零電壓開(kāi)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)培訓經(jīng)理Jason Yan在新品媒體溝通會(huì )上詳細解讀了這款中功率應用的高效解決方案。

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(shuō)在USB PD設計方面是一脈相承。這次推出的新產(chǎn)品是有源鉗位數字可編程反激式氮化鎵開(kāi)關(guān)IC，可以實(shí)現超過(guò)95%的效率，且外形小巧，同時(shí)兼容USB PD和通用快充技術(shù)規范（UFCS）的適配器設計，輸出功率高達220W。

這些高度集成的器件采用穩定耐用的PowiGaN氮化鎵初級開(kāi)關(guān)，穩態(tài)開(kāi)關(guān)頻率高達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、筆記本電腦、平板電腦和多端口配件市場(chǎng)的超緊湊適配器應用所需的元件數量和PCB板面積。

Jason Yan表示：“我們現在的大功率產(chǎn)品都在初級側集成了氮化鎵開(kāi)關(guān)，而且集成了很多新的特性和功能?！?/p>

他介紹說(shuō)，早在2015年P(guān)I就推出了USB PD設計，包括采用磁感耦合方式實(shí)現初級側和次級側信號耦合；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用當中音頻噪聲對用戶(hù)的困擾，進(jìn)而適應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(kāi)關(guān)速度快、損耗低的優(yōu)勢。

為了實(shí)現在設計不做較大改動(dòng)、不改變開(kāi)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(kāi)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應用IC。

InnoSwitch4-Pro的效率及其他

Jason Yan介紹說(shuō)，InnoSwitch3-Pro是一款具有多功能智能接口、方便數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(méi)有數字電路。這樣做的好處是可以大大提升開(kāi)關(guān)電源的智能化水平，利于實(shí)現一些功率特性的高級管理和控制。

InnoSwitch4-Pro IC內部同時(shí)集成了堅固耐用的750V PowiGaN初級開(kāi)關(guān)、控制器、用于次級側控制的FluxLink?加強絕緣反饋鏈路、I2C接口、有源鉗位驅動(dòng)和同步整流，能夠提供高達220W的功率。

InnoSwitch4-Pro IC采用獨特的控制方法，在DCM和CCM中都能實(shí)現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)品單獨使用時(shí)，在DCM和CCM模式下還同時(shí)支持準諧振的開(kāi)關(guān)工作，還可選擇僅采用DCM模式工作以降低SR FET電壓應力。新IC還具有優(yōu)化的命令集以降低I2C數據擁堵的可能性。

ZVS結合PowiGaN?技術(shù)幾乎消除了開(kāi)關(guān)損耗，效率超過(guò)95%，使設計人員能夠省去熱管理通常需要的散熱片、導熱片和灌封材料，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(lài)于協(xié)議的產(chǎn)品，可以和所有標準協(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(zhù)可實(shí)現極小尺寸的設計。它支持USB-PD、PPS、UFCS和其他各種客戶(hù)定制化協(xié)議，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令輸入，具有增強的報告功能及更多可編程設定保護特性。

Jason Yan解釋說(shuō)，將增強的I2C接口與InnoSwitch4-CZ有源鉗位高效特性相結合，可以實(shí)現無(wú)損耗鉗位，也就是初級鉗位漏感能量的回收再利用。在初級功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷之后，漏感當中儲存的能量會(huì )暫時(shí)放到電容中，在一定時(shí)序控制之后，再把這個(gè)電容儲存的能量通過(guò)變壓器釋放到次級，由負載消耗掉。傳統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(jiǎn)化全數控高效率電源的開(kāi)發(fā)和制造。InnoSwitch4-Pro數字控制的反激電源IC與ClampZero和MinE-CAP配套器件搭配使用，可滿(mǎn)足OEM原裝、非原裝USB PD和通用快充技術(shù)規范（UFCS）適配器市場(chǎng)應用非常需要的超緊湊和纖薄外形的設計要求。

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

簡(jiǎn)化設計，支持廣泛應用

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

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

轉載自“PSD功率系統設計”