如何設(shè)計(jì)小型USB-C PD和PPS適配器

對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師來說，如何提升產(chǎn)品競爭力是他們面對的核心挑戰(zhàn)。充電器和適配器要越做越小；能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)、平板電腦、筆記本電腦和其他便攜式設(shè)備提供完整的USB-C功率傳輸(PD)、數(shù)字控制電源(PPS)功能；充電時間要越來越短。眾所周知，設(shè)計(jì)更小巧的充電器和適配器的關(guān)鍵在于減少元件數(shù)量和最大限度地提高效率：但說起來容易，實(shí)現(xiàn)起來卻有難度。

在新的USB協(xié)議下，僅僅提供具有低功耗的緊湊高效的功率變換方案是不夠的。新的USB電源協(xié)議要求在受電設(shè)備和電源之間進(jìn)行精確的雙向通信。USB PD使負(fù)載和電源能夠設(shè)置多個功率和電壓擋位，功率高達(dá)100W（現(xiàn)在甚至提出了更高的功率）。PPS初衷是為了適應(yīng)電池技術(shù)的不斷升級，同時前瞻性地允許充電中途調(diào)整輸出參數(shù)。PPS支持輸出以20mV或50mA微調(diào)。

為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的USB電源協(xié)議，除了反激式控制器外，設(shè)計(jì)工程師還需要使用專用的USB控制器或微控制器。這兩個IC之間還需要低時延通信，確保整個解決方案符合USB協(xié)議。

化解難題

為了化解這些難題，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以考慮選用內(nèi)置USB PD控制器的高度集成的反激式開關(guān)IC產(chǎn)品系列。Power Integrations的InnoSwitch?3-PD系列IC是適合于USB Type-C、PD和PPS適配器的集成度極高的解決方案，除了初級功率開關(guān)和多模態(tài)準(zhǔn)諧振反激控制器外，同時還集成了USB-C和PD控制器（圖1），以及初級側(cè)檢測電路、FluxLink?隔離數(shù)字控制和同步整流驅(qū)動器。根據(jù)具體的參數(shù)規(guī)格，設(shè)計(jì)工程師可以選擇高壓硅MOSFET或PowiGaN?功率開關(guān)。

圖1：InnoSwitch3-PD可縮減物料清單(BOM)并簡化USB-C PD和PPS適配器的設(shè)計(jì)

基于InnoSwitch3-PD IC的設(shè)計(jì)符合所有全球能效法規(guī)，其空載功耗低至14mW。這些設(shè)計(jì)效率高損耗少，無需使用尺寸大且成本高的散熱片，有助于減小設(shè)計(jì)方案的外形尺寸并降低成本。Power Integrations的FluxLink高速通信反饋鏈路支持快速、精確的次級側(cè)調(diào)整。輸入及輸出電壓監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)精確的電壓緩升、跌落和輸入過壓保護(hù)，以及具有可對故障響應(yīng)單獨(dú)設(shè)定的輸出過壓和欠壓故障檢測。InSOP?-24D封裝非常緊湊，尺寸僅為10.8mmx9.4mmx1.6mm。InnoSwitch3-PD產(chǎn)品系列包括三款內(nèi)部集成650V硅MOSFET的IC和三款內(nèi)部集成750V PowiGaN?氮化鎵功率開關(guān)的IC（見表1）。

表1：InnoSwitch3-PD控制器適用于各種USB-C PD+PPD適配器功率水平和輸入電壓范圍，共包括三款內(nèi)部集成650V硅MOSFET的IC和三款內(nèi)部集成750V PowiGaN氮化鎵功率開關(guān)的IC

借助現(xiàn)成小型化方案，加快上市速度

為了快速啟動小型化USB-C PD+PPS適配器和充電器的開發(fā)，并加快上市速度，設(shè)計(jì)工程師可以從涵蓋30W、45W和60W應(yīng)用的多種參考設(shè)計(jì)中進(jìn)行選擇。以下每個設(shè)計(jì)都采用了內(nèi)部集成750V PowiGaN開關(guān)的IC；硅版開關(guān)的參考設(shè)計(jì)也有提供。它們都支持90至265VAC的輸入電壓范圍，并滿足DOE6和CoC v5 2016平均效率要求以及CISPR22/EN55022 Class B傳導(dǎo)EMI限制。

DER-836：30W USB PD 3.0電源

該設(shè)計(jì)范例（圖2）使用InnoSwitch3-PD INN3878C器件。這款適配器的尺寸為1.73” (44mm)×1.73” (44mm)×0.817” (21mm)，功率密度為12.27W/in3（不含外殼）。該設(shè)計(jì)在230VAC下的空載輸入功率<18mW。它只使用59個元件，有助于提高功率密度。支持以下USB PD/PPS輸出性能：

PDO1：5V/3A（固定供電）

PDO2：9V/3A（固定供電）

PDO3：12V/2.5A（固定供電）

PDO4：15V/2.0A（固定供電）

PDO5：20V/1.5A（固定供電）

PDO6：3.3V–11V/3A（數(shù)字控制電源，30W限定功率）

PDO7：3.3V–16V/2A（數(shù)字控制電源）

圖2：參考設(shè)計(jì)DER-836僅使用59個元件，可提供30W輸出功率

DER-837：45W USB PD 3.0電源

該設(shè)計(jì)范例（圖3）使用InnoSwitch3-PD INN3879C器件。它僅需54個元件，可提供14.0W/in3的功率密度，其尺寸為1.89” (48mm)×1.81” (46mm)×0.94” (23.8mm)（不含外殼）。支持以下USB PD/PPS輸出性能：

PDO1：5V/5A（固定供電）

PDO2：9V/5A（固定供電）

PDO3：15V/3A（固定供電）

PDO4：20V/2.25A（固定供電）

PDO5：3.3V–11V/5A（數(shù)字控制電源，45W限定功率）

PDO6：3.3V–16V/3A（數(shù)字控制電源）

PDO7：3.3V–21V/2.25A（數(shù)字控制電源）

圖3：參考設(shè)計(jì)DER-837僅使用54個元件，可提供45W輸出功率

RDR-838：60W USB PD 3.0電源

該參考設(shè)計(jì)（圖4）有61個元件，尺寸為2.24" (57mm)×2.24" (57mm)×0.76" (19.2mm)，功率密度為15.7W/in3（不含外殼）。該設(shè)計(jì)采用INN3879C集成控制器，具有較少的USB PD/PPS輸出性能：

PDO1：5V/3A（固定供電）

PDO2：9V/3A（固定供電）

PDO3：15V/3A（固定供電）

PDO4：20V/3A（固定供電）

PDO5：3.3V–21V/3A（數(shù)字控制電源）

圖4：參考設(shè)計(jì)RDR-838僅使用61個元件，可提供60W輸出功率

總結(jié)

借助創(chuàng)新的InnoSwitch3-PD系列高度集成的反激式開關(guān)IC，設(shè)計(jì)工程師就會擁有一套新工具，可快速開發(fā)出高效且元件數(shù)量非常少的充電器和適配器，并且它們還具備完整的USB-C PD+PPS功能。這些功能完善的IC包括同時選擇硅或PowiGaN集成功率開關(guān)版本。它們在輸入和輸出端受到全面保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需元件一半的解決方案，同時仍提供低至14mW的空載功耗。它們采用超薄的InSOP-24D封裝，適合高功率密度USB-C電源解決方案的批量生產(chǎn)。