USB充電器大家都在用,而USB PD(USB電源傳輸)規(guī)范也已發(fā)展到3．1版。作為一種快充技術(shù),PD的應用的推廣不斷深入,開發(fā)這類產(chǎn)品的廠商很多,但要設(shè)計一個既符合USB Type-C標準和PD 3．0協(xié)議要求,同時只使用一個IC,在降低成本的同時實現(xiàn)更高功率密度,易于大批量生產(chǎn)的PD產(chǎn)品還是有點難度。
PD和Type-C有什么區(qū)別?
PD協(xié)議是USB-IF組織制定的快速充電協(xié)議之一。USB PD可通過USB電纜和連接器增加電力輸送,擴展USB應用電纜總線供電能力。該規(guī)范支持更高的電壓和電流,輸送功率最高可達100W,并可以自由改變電力輸送方向。
Type-C接口默認支持最大5V/3A,但在采用了USB PD協(xié)議以后,能夠使輸出功率支持最大100W。Type-C接口可以正反隨便插,做充電線時,Type-C可提供最高100W的功率;做數(shù)據(jù)線時,Type-C的最快傳輸速度可達10Gbps。兩者結(jié)合在市場上應用比較廣泛,可為相得益彰。
以往,那些“永遠在線”的消費者隨時隨地都可能為便攜式電子產(chǎn)品充電。但是,由于每個設(shè)備的充電方式不同,消費者必須攜帶不同的適配器。因此,業(yè)界開始考慮使用USB Type-C PD充電,但是設(shè)計一個單芯片充電器集成電路(IC)為不同配置和不同輸入電壓范圍的多個電池供電設(shè)備充電是一個復雜的過程,因為傳統(tǒng)適配器不能與所有電池供電設(shè)備兼容,且傳統(tǒng)USB適配器的功率限制在5-15W,因此限制了“統(tǒng)一”充電器的努力。
USB Type-C供電(USB PD)提供了一種有效的替代方案,可對各種應用進行快速有效的充電。USB PD的輸出電壓范圍可根據(jù)使用不同電池配置的設(shè)備進行調(diào)整,以利用USB PD的5W至100W(20V/5A)功率譜。
持續(xù)設(shè)計創(chuàng)新
最近,Power Integrations(PI)推出了一款名為InnoSwitchTM 3-PD的高度集成的USB-C PD + PPS電源適配器解決方案。PI公司高級技術(shù)培訓經(jīng)理閻金光表示,InnoSwitch3-PD恰逢其時,正好迎合PD產(chǎn)品在便攜式應用的推廣熱潮,而且還有采用氮化鎵(GaN)的選擇,讓功率密度更上一層樓。
據(jù)介紹,針對USB PD設(shè)計與創(chuàng)新,PI一直不遺余力,推出了一系列產(chǎn)品,包括:
2015年,推出了InnoSwitch加FluxLink。FluxLink是世界上首先出現(xiàn)的一款初級和次級之間用兩個線圈耦合來傳輸次級信息的IC;
2017年,推出了第三代InnoSwitch3;
2019年,推出InnoSwitch3-Pro,有I2C接口,可以和微處理器通信。微處理器是實現(xiàn)PD協(xié)議的接口,用的是Type-C接口和負載通信,所以實際上InnoSwitch3加了一個數(shù)字接口跟外部控制器通信;同時針對更大功率輸出,如最大功率100W的20V,5A PD應用,在三個產(chǎn)品型號中采用了PowiGaN? 開關(guān);
2020年,為了滿足配件市場對電源更高功率密度的要求,推出了MinE-CAP?,主要是降低輸入大電容所占的空間和尺寸,有助于在不改變工作頻率的情況下進一步縮小電源體積。
2021年,發(fā)布的InnoSwitch4-CZ,利用ClampZero實現(xiàn)源鉗位工作和同步整流實現(xiàn)了更小的電源體積。在USB-PD應用中,無論是最開始的InnoSwitch,到現(xiàn)在最新的InnoSwitch4第四代產(chǎn)品,PI始終致力于提供更大的輸出功率,同時實現(xiàn)更高的功率密度,這是PI研發(fā)USB-PD應用的初衷。
一張圖實現(xiàn)多項創(chuàng)新
這次發(fā)布的產(chǎn)品叫做InnoSwitch3-PD,之前PI的系列產(chǎn)品都有PD功能,為什么還要做InnoSwitch3-PD呢?原來這是一個簡化BOM的PD應用方案。
不要小看這張原理圖,它只有一個IC與外邊Type-C的CC1和CC2通信;IC內(nèi)部集成了MCU(微控制器)。而目前市場上很多IC要么是功率器件,要么是數(shù)字器件,后者不承擔傳輸功率的功能,但現(xiàn)在InnoSwitch3-PD既是一個功率器件,內(nèi)部有高壓MOS管、兩個電源控制器,又有數(shù)字電路和MCU,可以從接口直接連接Type-C接口。
圖:一張圖多項創(chuàng)新
① IC初級側(cè)集成了初級功率高壓開關(guān),對于功率比較大的用例,可以選擇GaN開關(guān),就是氮化鎵開關(guān)。其操作方式跟以前的InnoSwitch3一樣,即多模式QR(準諧振)和CCM(連續(xù)導通模式)。QR電源為非連續(xù)工作狀態(tài),在波谷地方導通,可以降低初級開關(guān)的開通損耗。
反激電源基本上在低壓輸入情況下都是連續(xù)工作模式,好處是可以降低初級交流有效值,進而降低導通損耗。所以在反激應用當中,有必要優(yōu)化這種工作模式。難點之一是在CCM模式工作時,初級側(cè)有一個功率開關(guān),次級側(cè)用了同步整流MOS管。而這兩個開關(guān)是不能同時導通的。如果同時導通,電源就會炸掉。那么,用一個控制器同時控制兩個功率開關(guān)就可以保證兩個開關(guān)時序不會出現(xiàn)同時導通的情況,這也非常有利于在CCM模式工作,可靠性非常高。
② 次級側(cè)同步整流MOS管由該控制器直接驅(qū)動,如果用一個控制器控制初級開關(guān),次級是另一個控制器控制同步整流,兩個控制器的協(xié)同工作就是一個很大的問題,甚至在各種ESD情況下,可能會出現(xiàn)誤導通,對電源的可靠性產(chǎn)生影響,而一個控制器就不存在這樣的問題。同步整流是用MOS管替代經(jīng)常見的二極管整流,后者的導通損耗比較高,所以為了提升效率,現(xiàn)在在市場上的低壓大電流應用大部分都是用同步整流方案。再者,一個控制器控制兩個功率開關(guān),可以將開關(guān)操作的死區(qū)時間做的盡量短,進而增加次級同步整流MOS的導通時間,最大限度地提升電源效率。
③ 在USB-PD應用中,在輸出直流母線上還有一個功率開關(guān),這個開關(guān)一般在Type-C接口有電纜插入(如手機)有負載時才會導通。一旦它檢測到空載或是拔掉了電纜,開關(guān)斷開,輸出端就不會有電壓出現(xiàn),這是USB-PD協(xié)議中要求的安全可靠性。負載開關(guān)的驅(qū)動也集成在了InnoSwitch3-PD IC的內(nèi)部,直接提供負載保護,無需額外的外部電路元件來實現(xiàn)。
④ 次級側(cè)的USB-PD MCU,主要工作是負載類型檢測,確定是有源負載還是無源負載。筆記本電腦等有源負載既可以作為供電設(shè)備給其他設(shè)備供電,比如給手機充電,又可以作為受電設(shè)備,接受接受其他供電電源對其進行充電。所以USB-PD要根據(jù)負載類型判斷所連接的設(shè)備到底是有源還是無源負載。這時會通過CC1和CC2進行負載判定。需要用控制器中集成的程序?qū)ω撦d類型作出判斷,還要做電纜E-marker(電子標識)檢測。Type-C電纜有不同輸出規(guī)格,3A以下的電纜內(nèi)部沒有識別IC,而某些電纜中會放一個小的IC,目的是讓連接的設(shè)備對其加以識別,檢測到E-marker就表明該電纜可以傳輸最大5A的負載電流;3A以下的輸出電纜不需要E-marker識別IC。
⑤ 如果是100W的20V/5A電源,就一定要用E-marker電纜。USB-PD控制器內(nèi)部的VBUS/VCONN開關(guān)控制功能可以保證給E-marker電纜中的IC提供供電電壓,以進行電纜識別檢測,VCONN的電壓通常為3．3V或者5V。InnoSwitch3-PD IC也可以直接輸出提供。作為USB-PD應用的連接設(shè)備,使用InnoSwitch3-PD的設(shè)備僅作為供電設(shè)備而存在,因適配器本身不會做為受電設(shè)備與其他設(shè)備連接。IC內(nèi)部的軟件支持PPS(可編程電源),可以對輸出電壓和電流進行精確設(shè)定。IC的輸出引腳CC1和CC2直接與電纜的CC1和CC2線相連,進行代碼傳輸(高低電平),接受負載發(fā)送的電壓電流設(shè)定信息。CC1和CC2的額定電壓最大達到28V,而PD應用中最高電壓就是20V,所以電壓額定是安全的。如果有更高的電壓進來,會提供OVP保護。內(nèi)部集成的VCONN供電電壓也是通過這兩個線傳輸。
⑥ InnoSwitch3-PD IC還提供一個NTC溫度檢測輸入,以檢測電源系統(tǒng)中的某一個地方的溫度,溫敏電阻可以安裝在電源內(nèi)部溫升高的地方,進行系統(tǒng)溫度監(jiān)測,比如變壓器、輸出整流管或者Type-C連接器。如果有溫度異常,可以利用InnoSwitch3-PD內(nèi)部的軟件對其做出響應。
⑦ 使用InnoSwitch3-PD的電源不像以前的反激電源有一個電壓采樣,實現(xiàn)固定的電壓或電流輸出特性。這是USB-PD應用的一個好處,PD應用是根據(jù)負載的需求來設(shè)定其輸出電壓或電流的。它的輸出電壓范圍是3到24V可調(diào),每個檔位之間的壓差是10mV,按照PD標準要求每20mV一檔,而PI做到每10mV一檔,可以得到更加精確的輸出電壓;電流亦然,恒流點可真最大輸出數(shù)值的20%-100%之間認為設(shè)定;電流可調(diào)的檔位是最大輸出數(shù)值的0．8%。電壓、電流進行精確調(diào)整的好處在于,可以省去負載端的DC-DC電源管理IC,有利于降低用電負載端內(nèi)部的功耗,降低負載充電期間的溫升。充電時電流越大,損耗越多,現(xiàn)在利用對AC-DC電壓、電流的調(diào)整,就可以通過指令來讓AC-DC輸出端精確達到電池所需的充電電壓,這不但可以節(jié)省成本,還可以提升充電效率,這就是PD控制協(xié)議出現(xiàn)的初衷。
⑧ 最后,對于USB-PD的應用,PI這顆還提供負載放電功能,一旦負載從適配器輸出端斷開,IC會通過VB/D引腳對輸出端放電,以保證輸出端電壓為零伏。
相比競品優(yōu)勢何在?
相對于傳統(tǒng)競品方案,InnoSwitch3-PD節(jié)省了更多元件,可以簡化BOM。對標有競品1和競品2,人們經(jīng)常聽到PD電源是一個3芯片方案,或者是一個4芯片方案。統(tǒng)計表明,包括初級側(cè)控制IC、次級同步整流控制IC、USB協(xié)議通信IC加在一起的3芯片解決方案,其所用元件數(shù)目可達118個,而外加另外一顆有源鉗位驅(qū)動IC的4芯片方案元件總數(shù)會達到124個。采用InnoSwitch4-CZ有源鉗位方案后,可將總元件數(shù)目降低至79個元件,但如果采用最新高集成度的InnoSwitch3-PD方案,所用元件僅為60個,相對于市場上其他方案幾乎減少了一半。這帶來最大的好處就是可以將電源做得更小,同時增加可靠性。
圖:60W USB-PD適配器元件數(shù)比較
利用市場上唯一的單芯片解決方案同時做到了同步整流驅(qū)動、初級開關(guān)控制,還有PD協(xié)議控制。其20W小魔方充電器設(shè)計的體積比5W充電器大不了多少,幾乎在同一個量級。所用元件數(shù)為44個,每立方厘米功率密度高達1W。50W超薄型充電器采用INN3870C + MinE-CAP單PCB設(shè)計、平面變壓器,元件數(shù)60個,功率密度為1．12W/cm3。65W小魔方充電器采用INN3870C,簡單的雙PCB設(shè)計,元件數(shù)53個,功率密度1．36W/cm3。這些方案使用一到兩塊PCB,抗振動沖擊能力比使用3塊以上PCB的產(chǎn)品更好。同時也可以大大簡化適配器的制造生產(chǎn)流程,節(jié)省成本。
圖:單芯片方案最少元件數(shù)實現(xiàn)超緊湊設(shè)計
InnoSwitch3-PD效率可達95%,空載功耗低至14mW,把Type-C和PD協(xié)議控制器集成到功率IC內(nèi)部,避免了采用不同廠家協(xié)議接口IC帶來的空載功耗過大的缺點,可以把空載功耗做得更小。100W方案涵蓋了PD最大功率的應用,因為其高效率,所以在很多設(shè)計中都不用散熱片,對于高功率密度的設(shè)計也確實沒有空間放散熱片。對于較大輸出功率的可以使用PowiGaN,功率比較小的應用采用硅技術(shù)的MOSFET更具成本優(yōu)勢。
封裝方面和以前一樣,唯一不同的是增加了一些引腳,包括直接連接Type-C協(xié)議通信的CC1和CC2引腳;NTC是增加的一個過溫檢測引腳,可以連接熱敏電阻來監(jiān)測系統(tǒng)中過溫故障易發(fā)生的位置點。
圖:InnoSwitch3-PD封裝滿足國際安規(guī)要求
InnoSwitch3-PD適用于快充的一些主要特性包括:支持PD3．0和PPS協(xié)議,可以實現(xiàn)編程控制,根據(jù)負載指令來調(diào)整輸出電壓和電流;兼容高通的QC4．0協(xié)議。InnoSwitch3-PD不像一些傳統(tǒng)功率器件,其內(nèi)部有一次性可編程存儲器,協(xié)議軟件需要寫進IC內(nèi)部,而且可根據(jù)客戶的特殊應用需求對軟件加以定制,批量供貨的IC會已經(jīng)包含客戶定制的協(xié)議軟件,這樣可以大大簡化客戶微處理器協(xié)議軟件的維護,產(chǎn)品研發(fā)期間也無需請專門的軟件工程師寫PD軟件,節(jié)省研發(fā)時間。內(nèi)部集成Type-C控制器可簡化設(shè)計,符合USB Type-C 1．3標準,提供的上拉電流源可用于負載和線纜的檢測,VCONN供電用于電子標識線纜的識別;同時提供CC1/CC2線的過壓保護(28V)功能。
圖:高功率密度設(shè)計
與PI其他的InnoSwitch3器件相比,InnoSwitch3-PD最大輸出功率可達100W,主要用于PD適配器的應用。PI提供多款元件型號,涵蓋不同的功率應用范圍。如用戶沒有特殊的PD應用需求,PI提供的標準型號產(chǎn)品內(nèi)部已經(jīng)集成了PD協(xié)議軟件,包含不同的PDO(電源數(shù)據(jù)對象)輸出參數(shù);對應不同功率大小,也有相應的APDO(增強電源數(shù)據(jù)對象)輸出特性,組合非常靈活。
圖:InnoSwitch3與之前產(chǎn)品的特性比較
InnoSwitch3-PD增加的一些功能包括:內(nèi)部集成Type-C控制器,提供集成VCONN開關(guān)、BMG(雙向符號編碼)發(fā)送和接收,所謂BMC是用一條線同時傳輸數(shù)據(jù)和時鐘,通過相位變化來表示數(shù)據(jù)是0還是1;最后提供所有必需的USB-PD和PPS功能。
圖:兩款參考設(shè)計
總之,InnoSwitch3-PD是唯一的USB PD單芯片解決方案,承襲了InnoSwitch3系列一貫的卓越性能,效率極高,低空載功耗,具有完善的保護,可以顯著減少BOM,非常適合要求超薄小巧外形的應用或超薄設(shè)計,單面PCB易于大批量生產(chǎn)。
