適用于高達 220 W 的 USB PD 3.1 適配器的新型高壓 GaN 解決方案

USB PD是一種基于USB-C標準的快充技術。USB-C PD 可以提供比標準壁式充電器更大的電力，因此它對于快速將電力恢復到設備中特別有用。

Power Integrations 宣布推出 InnoSwitch 4-CZ 系列高頻、零電壓開關反激式控制器 IC 的擴展產(chǎn)品。當與 Power Integrations 的 ClampZeroTM 有源鉗位 IC 以及最近推出的 HiperPFS-5 基于氮化鎵的電源可選配時，新 IC 可輕松滿足當前高達 220 W 的適配器和充電器的 USB 供電 (PD) 3.1 規(guī)范。因子校正器(PFC)。

擴大新型 InnoSwitch4-CZ 和 ClampZero IC 的功率范圍，使充電器/適配器設計人員能夠輕松超過 23 W/in。3用于單輸出或多輸出 USB PD 3.1 認證設計，最大限度地減少組件并為 130-W USB PD 提供 94% 的效率。

Power Integrations技術推廣總監(jiān) Andy Smith 在接受 Power Electronics News 采訪時指出，人們對 USB PD 市場有著濃厚的興趣。USB PD是一種基于USB-C標準的快充技術。USB-C PD 可以提供比標準壁式充電器更大的電力，因此它對于快速將電力恢復到設備中特別有用?？焖俪潆妼τ诠P記本電腦、平板電腦和便攜式充電器至關重要，但家用電器和其他此類設備也開始在其設備中使用越來越多的 USB 端口。

Power Integrations 長期致力于 USB PD 領域，推出InnoSwitch解決方案以提高產(chǎn)品的功率密度，使其能夠高效運行。GaN 隨后實現(xiàn)了更高的功率密度。目標是支持 USB PD 市場的這種變化，除了高效率外，還需要小尺寸?！懊總€人都想要最小的適配器，這意味著最高的效率和最少的組件，所以我們非常努力地支持這個市場，”史密斯說。

USB PD技術

市場需要輕巧、緊湊且功能強大的適配器，能夠快速為其所有關鍵任務設備充電。USB PD 3.1 已將額定功率提高到 240 W，而上一代可以提供 100 W。Smith 強調(diào)了 240-W 市場如何仍在興起，因為在工程層面，這是一個解決一些耗散挑戰(zhàn)的問題，考慮到很小的尺寸?？焖俪潆姛o疑是一個很大的機會。

“但我們還需要保持一些基本的行業(yè)特性，例如低功耗、空載消耗和待機時的良好效率，”Smith 說?！耙坏┠惬@得更高的權力，這并不容易實現(xiàn)。另一個重要的事情是，當輸入功率大于 75 W 時，我們顯然需要進行功率因數(shù)校正。所以現(xiàn)在我們必須要有一個 PFC 級，還要消除或繼續(xù)消除散熱器?！?

根據(jù) Smith 的說法，反激式的挑戰(zhàn)之一是開關頻率越高，功率損耗就越高。正如 Smith 解釋的那樣，由于電源開關關閉時變壓器初級上的電壓尖峰(圖 1)，反激電路需要初級鉗位，以防止變壓器換向時初級開關兩端的電壓升高。傳統(tǒng)方法使用一個電容器和一個電阻器來釋放額外的能量，并在每次發(fā)生開關周期時產(chǎn)生功率損耗。因此，要實現(xiàn)高效率，就必須限制開關頻率。將開關頻率限制在 75 kHz 或 80 kHz 會使電源變壓器變大一些。因此，您要做的是避免初級鉗位電路斷電。理想情況下，您可以通過切換功率晶體管來提高其效率。但您實際上需要消除鉗位損耗，以使設計人員能夠提高開關頻率并獲得更小的變壓器。

“去年，我們推出了帶有有源鉗位電路的 ClampZero，”Smith 說。“基本上，鉗位能量存儲在鉗位電容器中，然后我們使用另一個開關在開關周期的適當點將能量引導到輸出級。初級鉗位控制、初級開關控制和同步整流晶體管控制必須非常小心地同步。所以在 InnoSwitch 中，這一切都是通過次級側的主控制器完成的。通過這種方式，我們用一個控制器驅(qū)動所有三個開關，這有助于精確控制 。

史密斯補充說：“我們所做的是在打開主開關之前短暫打開鉗位開關。這使我們能夠?qū)χ麟娫瓷系碾娙葸M行放電，并將鉗位能量傳輸?shù)捷敵龆恕＿@樣，我們使用鉗位能量來驅(qū)動輸出，并通過初級開關釋放少量電容，從而實現(xiàn)零電壓開關?！?

傳統(tǒng)的互補鉗位工藝只是在反相中打開兩個初級晶體管。但通過在功率開關導通前短時間導通晶體管(非互補模式)，可以將能量傳遞到輸出端，降低初級開關電壓，從而實現(xiàn)零電壓開關。而且，由于兩個晶體管的動作關系不是固定的，我們可以在連續(xù)和不連續(xù)模式下工作。“在處理 USB PD 時，這一點非常重要，從 5 V/1 A 到可能的 24 V/5 A，輸出負載波動很大，在這些條件下，能夠從不連續(xù)模式過渡到連續(xù)模式，”Smith 說?！斑@使我們能夠在更廣泛的范圍內(nèi)操作設備，同時避免突發(fā)模式。FluxLink 通信機制允許非常容易地控制所有開關。有必要確保開關周期之間的時間較短。但當然，您需要確保死區(qū)時間足以防止交叉?zhèn)鲗?。?

時機很關鍵;無論如何，這一切讓我們能夠做的就是提高開關頻率。當然，您必須密切關注 EMI 問題。在高頻下切換，需要一個更大的 EMI 濾波器。根據(jù) Smith 的說法，頻率限制在 140 kHz，使我們能夠減小變壓器的尺寸，而不會遇到太多 EMI 問題。

“即使我們有一個完整的 PFC 級和反激式，我們?nèi)匀豢梢栽?130 W 設計中實現(xiàn) 94% 的效率，”Smith 說?！斑@足以確保所有開關組件都不需要散熱器。另一個令人興奮的事情是，我們能夠?qū)⒖蛰d功耗限制在 70 mW 以下?！?

PCB介紹：81.4 × 61.5mm 的小尺寸部分是由于增加了開關頻率，這允許使用更小的變壓器尺寸。由于采用了薄型表面貼裝電源封裝，因此可以實現(xiàn)非常小和薄型?！敖M件數(shù)量很少，你會注意到冷卻是通過 PCB 實現(xiàn)的，”Smith 說?！斑@個電源有一個小散熱器：它位于另一側，用于散發(fā)來自橋式整流器的熱量。橋式整流器正在成為電路板上最耗電的組件。然而，有趣的是，最明確的要求是高效率和低元件數(shù)量，因為您必須能夠在電路板上安裝所有這些元件。”