過去和現(xiàn)在的 USB 充電器：Type-C 符合能效標(biāo)準(zhǔn)

1.前言

在計(jì)劃寫這篇文章時(shí)，我在百度搜索輸入了“type-C”。自 2015 年以來，人們對該術(shù)語的興趣一直在上升，如圖 1 所示。

圖 1. 趨勢的興趣（關(guān)鍵詞：type-C）

USB Type-C設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中也越來越受歡迎，許多流行的手機(jī)和平板電腦都采用了USB Type-C。我預(yù)計(jì)帶有 USB Type-C 的產(chǎn)品將在未來幾年快速增長。

2.為什么選擇 15 瓦 (5V3A)？

除了具有不受方向影響的可翻轉(zhuǎn)插頭外，USB Type-C 還提供比任何以前的 USB 版本更多的功率。盡管 USB Type-C 可以支持高達(dá) 100W 的 USB 3.1 和 USB Power Delivery，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇功能以保持其總體成本合理。 USB Type-C接口還引入了15W的原生功率能力，是標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0充電速率的六倍。對于大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦來說，15W 可能就足夠了，而且成本合理。 

現(xiàn)在最新的已經(jīng)出現(xiàn)65W的快充電源。

二極管整流和 PSR 廣泛用于適配器電流低于 2A

在以往的手機(jī)電源適配器中，正常的功率等級為5V/2A或以下。初級側(cè)調(diào)節(jié) (PSR) 通常用于 AC/DC 轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗唵吻夷軌蛳飧綦x器和可編程基準(zhǔn)。由于負(fù)載電流不高，因此在此功率級別使用二極管整流器。圖 2 顯示了帶有二極管整流的簡單 PSR 原理圖。

圖2.UCC28704二極管整流的典型應(yīng)用電路

對于具有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的 5V/3A 適配器，同步整流 (SR) 優(yōu)于 PSR

PSR 節(jié)省了成本，因?yàn)樗藢Υ渭墏?cè)反饋元件和光耦合器的需求。然而，使用 PSR + SR 進(jìn)行設(shè)計(jì)并不像僅使用 PSR 那樣容易。

大多數(shù) PSR 控制器會(huì)在次級二極管電流變?yōu)榱銜r(shí)檢測拐點(diǎn)處的輔助繞組電壓，因?yàn)檩o助繞組上的電壓最接近 V OUT /Na，其中 Na 是輔助繞組與次級繞組。

如果使用SR，當(dāng)體二極管在次級導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輔助繞組上有一個(gè)電壓突波，見圖3。這個(gè)突波會(huì)影響PSR檢測機(jī)制并導(dǎo)致穩(wěn)定性問題，可能表現(xiàn)為異常波紋。

圖 3. 輔助波形詳細(xì)信息

3.如何讓PSR+SR穩(wěn)定

為了穩(wěn)定 PSR + SR，UCC28704 的（PSR 控制器）數(shù)據(jù)表可以更輕松地與 SR 驅(qū)動(dòng)器一起穩(wěn)定工作。t BW、t DMAG和工作頻率是需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的參數(shù)。其中 t BW是 SR 凸塊寬度，t DMAG是次級整流器導(dǎo)通時(shí)間

當(dāng)使用具有 SR 的 UCC28704 時(shí)，決定最大開關(guān)頻率的關(guān)鍵參數(shù)基于 t DMAG(min) 確定。t DMAG(min)需要大于 2.45μs，包括 750ns 的 SR 凸塊寬度 (t BW )。內(nèi)部電路需要750ns (t BW ) 以濾除由 VS 引腳波形上檢測到的 MOSFET 體二極管導(dǎo)通引起的 SR 凸點(diǎn)變化。在恒流工作起點(diǎn)測得的相應(yīng)開關(guān)頻率不應(yīng)大于55kHz。

采用 UCC28704（PSR 控制器）和 UCC24636（SR 控制器）的 5V/3A 設(shè)計(jì)

按照指導(dǎo)，我做了一個(gè)5V/3A的板子，如圖4。紋波在150mV以下，效率曲線如圖5。

圖 4. 通用 AC 輸入至 5V/3A Ooutput 參考設(shè)計(jì) DOE6 和 COC V5 第 2 層兼容 TI 設(shè)計(jì) 原理圖

圖 5. 效率曲線

在 115V AC和 230V AC輸入的 150mΩ 電纜端測得的四點(diǎn)平均效率分別為 83.4% 和 83.2%。COC Tier 2 2016 合規(guī)性為 81.8%（滿載）和 72.5%（10% 負(fù)載）。

即使使用 150mΩ 電纜，該板也能以足夠的裕量滿足 CoC Tier2 合規(guī)性要求。

4.概括

遵循 UCC28704 數(shù)據(jù)表中的指南，我們可以克服這些限制并制作低成本但對 USB Type-C 適配器具有足夠高效率的 PSR + SR 設(shè)計(jì)。

UCC28704 離線反激控制器是一款高度集成的 6 引腳一次側(cè)穩(wěn)壓脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器，旨在設(shè)計(jì)符合全球效率標(biāo)準(zhǔn)的高效 AC 轉(zhuǎn) DC 電源。此控制器啟動(dòng)時(shí)的電流消耗超低，可使設(shè)計(jì)獲得低于 30mW 的無負(fù)載輸入功率，并且節(jié)省待機(jī)模式能耗。憑借智能一次側(cè)感應(yīng)和控制功能，無需使用光電耦合器或二次側(cè)反饋電路即可將輸出電壓和電流控制在 5% 的變化范圍內(nèi)。

UCC28704 應(yīng)用了增強(qiáng)型負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)，有助于最大限度減小輸出電容，從而減小系統(tǒng)整體尺寸并降低成本。此外，該控制器還免除了對環(huán)路補(bǔ)償組件的需求，為電源設(shè)計(jì)人員簡化了設(shè)計(jì)及調(diào)試過程。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和電流會(huì)得到穩(wěn)定性處理，以防出現(xiàn)可能損壞負(fù)載或連接器的過載狀況。同樣，恒流輸出欠壓保護(hù) (CCUV) 關(guān)斷特性會(huì)監(jiān)控輸出欠壓故障以防止由于軟短路問題而造成連接器過熱或燒毀，從而大幅度提升系統(tǒng)整體可靠性。NTC 接口引腳有助于為電路板或組件施加過熱保護(hù)。