適配器元件數(shù)降低一半的訣竅：PI推出唯一單芯片USB PD方案

9月22日，Power Integrations（納斯達(dá)克股票代號(hào)POWI，下文簡(jiǎn)稱PI）推出內(nèi)置USB PD控制器的InnoSwitch3-PD系列反激式開(kāi)關(guān)IC。

PD指的是利用USB口傳輸功率的意思，圍繞USB PD實(shí)際上PI已經(jīng)推出了多代產(chǎn)品。在充電器把充電速度越做越快的時(shí)代下，PI的新品究竟與此前產(chǎn)品有何不同？日前，PI資深培訓(xùn)經(jīng)理JasonYan向21ic電子網(wǎng)詳細(xì)解析了這款新產(chǎn)品。

與眾不同的PD方案，只為更高功率密度

早在2015年P(guān)I就推出了InnoSwitch和FluxLink，世界上首次出現(xiàn)在初級(jí)和次級(jí)之間利用兩個(gè)線圈耦合來(lái)傳輸次級(jí)信息的一個(gè)IC。

2017年，PI將InnoSwitch做到了第三代。2019年P(guān)I推出InnoSwitch3-Pro，包括I2C接口與外部的微處理器通訊，微處理器進(jìn)行PD協(xié)議接口。同年，針對(duì)更大功率輸出應(yīng)用，比如PD功率輸出最大可達(dá)100W的應(yīng)用。PI在高輸出功率的產(chǎn)品型號(hào)中集成了PowiGaN的氮化鎵高壓開(kāi)關(guān)。

2020年，為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)追求更高功率密度設(shè)計(jì)的研發(fā)趨勢(shì)，PI推出MinE-CAP。該產(chǎn)品主要可以幫助降低輸入大電容的空間和尺寸，有利于在不改變工作頻率的情況下能夠?qū)㈦娫大w積做的進(jìn)一步縮小。

2021年，PI發(fā)布了以有源鉗位反激拓?fù)浞绞焦ぷ鞯腎nnoSwitch4-CZ芯片。該芯片與另一款來(lái)自PI的ClampZero芯片協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)有源鉗位。有源鉗位的主要好處是可以將漏感能量回收，降低初級(jí)主功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，進(jìn)而可將轉(zhuǎn)換效率提高至95%。

PI資深培訓(xùn)經(jīng)理JasonYan為記者介紹，在USB PD的研發(fā)上，PI始終致力于提供更大的輸出功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

既然已經(jīng)推出了如此眾多的可應(yīng)用于PD的芯片方案，為什么PI還要發(fā)布InnoSwitch3-PD呢？Jason告訴記者，該產(chǎn)品可大大簡(jiǎn)化PD應(yīng)用方案的BOM元件數(shù)，并且是市場(chǎng)上唯一個(gè)可以做到單芯片的USB PD解決方案。

目前市場(chǎng)上，要么是功率器件，要么是數(shù)字器件，而InnoSwitch3-PD內(nèi)部既集成有高壓功率開(kāi)關(guān)管、電源控制器等執(zhí)行功率變換的電路，也集成有執(zhí)行PD協(xié)議通訊的微處理器電路，集成后的功率IC直接與外部的Type-C電纜內(nèi)導(dǎo)線連接。這種獨(dú)創(chuàng)的將模擬功率變換電路和數(shù)字電路集成在一個(gè)單芯片的方式，極大地提高了系統(tǒng)集成度，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

高度集成方案簡(jiǎn)化BOM，精準(zhǔn)控制輸出電壓或電流

InnoSwitch3-PD在初級(jí)側(cè)集成了初級(jí)功率開(kāi)關(guān)和控制器，對(duì)于較高功率輸出的應(yīng)用，可以采用集成氮化鎵開(kāi)關(guān)的IC型號(hào)。延續(xù)了舊有InnoSwtich3系列IC的多模式QR（準(zhǔn)諧振）和CCM（連續(xù)導(dǎo)通）的工作方式，保證電源一致的高效性能。值得一提的是，InnoSwitch3-PD的一個(gè)控制器同時(shí)控制初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)，保證時(shí)序不會(huì)出現(xiàn)同步整流開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通的情況，有利于在CCM工作方式下工作。

為了提升電源效率，市場(chǎng)上在次級(jí)側(cè)普遍采用同步整流技術(shù)，以降低傳統(tǒng)的使用二極管整流的損耗。這款I(lǐng)nnoSwitch3-PD IC同樣提供了次級(jí)同步整流驅(qū)動(dòng)功能。Jason強(qiáng)調(diào)，采用一個(gè)控制器控制兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)，可將兩個(gè)開(kāi)關(guān)管時(shí)序中的死區(qū)時(shí)間做的盡量的短，進(jìn)而增大同步整流管的導(dǎo)通時(shí)間，最大程度的提升效率。再者，一個(gè)控制器也極大地提高了可靠性，保證在CCM工作方式下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)開(kāi)通的情況。如果采用不同的控制器分別控制兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)，則不得不將死區(qū)時(shí)間做大。否則，在某些惡劣的工作情況下，比如ESD，則會(huì)造成開(kāi)關(guān)管誤開(kāi)通，對(duì)電源可靠性造成影響。

為了應(yīng)對(duì)PD應(yīng)用的特殊要求，即在沒(méi)有負(fù)載連接適配器時(shí)，適配器輸出端不得有電壓存在。在輸出直流母線上往往會(huì)串聯(lián)一個(gè)母線負(fù)載開(kāi)關(guān)。InnoSwitch3-PD IC內(nèi)部集成了N通道的MOSFET負(fù)載開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，以滿足上述要求。此外，產(chǎn)品還提供了VBUS放電功能，當(dāng)負(fù)載拔掉時(shí)，輸出端會(huì)經(jīng)過(guò)IC的引腳進(jìn)行泄放，保證輸出端始終擁有安全電壓。

值得一提的是，InnoSwitch3-PD集成了USB-C和PD控制器，可對(duì)負(fù)載類型進(jìn)行檢測(cè)，以判斷負(fù)載的類型是有源負(fù)載還是無(wú)源負(fù)載。同樣，E-marker電纜的檢測(cè)功能可以用來(lái)判斷所連接電纜的帶載能力。對(duì)于具有IC的電子標(biāo)識(shí)電纜的檢測(cè)，InnoSwitch3-PD還在CC1或CC2線上提供VCONN供電電壓，以判斷標(biāo)識(shí)IC的存在，進(jìn)而了解輸出電纜的最大承載電流是否大于3A。利用CC1或CC2與負(fù)載進(jìn)行的通訊可對(duì)輸出進(jìn)行精確的電壓電流設(shè)定，完成PPS（可編程電源）的PD應(yīng)用需求。

CC1和CC2用于與負(fù)載的協(xié)議溝通，InnoSwitch3-PD本身的CC1和CC2引腳耐壓達(dá)28V，完全適應(yīng)PD應(yīng)用最高輸出電壓20V的應(yīng)用情況，且該引腳具有OVP保護(hù)特性。

InnoSwitch3-PD的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)溫度檢測(cè)引腳。其外部可連接一個(gè)溫敏電阻，來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不同的發(fā)熱點(diǎn)。甚至可以用來(lái)監(jiān)測(cè)經(jīng)常插拔的Type-C連接器的觸點(diǎn)溫度。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，可以在軟件中設(shè)定響應(yīng)方式，當(dāng)過(guò)溫故障發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)加以保護(hù)。

“與InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro不同，以前的反激電源中會(huì)有一個(gè)電壓采樣和FB引腳。InnoSwitch3-PD的輸出電壓直接通過(guò)Vout引腳進(jìn)入控制器”，Jason強(qiáng)調(diào)，InnoSwitch3-PD的其中一個(gè)好處便是，可以根據(jù)負(fù)載的需求，來(lái)設(shè)定輸出電壓或者電流，其輸出電壓范圍可以精確控制在3-24V，且每個(gè)檔位壓差在10mV。另外，電流可在最大輸出數(shù)值的20%-100%之間可調(diào)，電流可以調(diào)整的檔位為最大輸出數(shù)值的0.8%。

USB PD標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)檔位的可調(diào)壓差在20mV，而PI做到了10mV，做到如此精準(zhǔn)控制的意義何在？Jason表示，手機(jī)內(nèi)部Buck電源管理IC由于電池充電的需要，必須根據(jù)需求對(duì)其輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，因此AC/DC后需要DC/DC進(jìn)行電壓的控制，AC/DC和DC/DC間不僅會(huì)產(chǎn)生損耗，還會(huì)引發(fā)電源管理IC的發(fā)熱發(fā)燙。而采用InnoSwitch3-PD則可直接在PD適配器的輸出端直接輸出所需的電池充電電壓，省卻手機(jī)內(nèi)部的DC/DC，降低手機(jī)的功耗、溫升，提升充電效率。而這種精確的輸出電壓電流可調(diào)特性，真正實(shí)現(xiàn)了所謂的“按需供電”。

卓越的功率變換能力，唯一的單芯片USBPD方案

相比市場(chǎng)的多芯片USB PD解決方案，PI的方案在整體BOM元件數(shù)上可大大降低。盡管采用PI的InnoSwitch4-CZ/ClampZero外加USB協(xié)議接口IC可以將總元件數(shù)能夠降低到79個(gè)。但如果使用最新的InnoSwitch3-PD方案，則可以將元件數(shù)進(jìn)一步降低到60個(gè)。這相比市場(chǎng)上的3芯片或4芯片解決方案幾乎降低了一半。在較少元器件的加持下，電源的功率密度可以做得更大，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單，電源的可靠性也會(huì)更高。

“這是市場(chǎng)上唯一個(gè)可以做到單芯片的解決方案，同時(shí)做到了初級(jí)開(kāi)關(guān)控制、同步整流驅(qū)動(dòng)、PD協(xié)議的控制”，Jason如是說(shuō)。

采用了InnoSwitch3-PD后，多種設(shè)計(jì)均可從中受益。比如僅用44個(gè)元件的雙PCB板的20W小魔方充電器設(shè)計(jì)、使用InnoSwitch3-PD和MinE-CAP的超薄50W充電器設(shè)計(jì)、以及采用53個(gè)元件的65W小魔方充電器設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)無(wú)不提現(xiàn)了InnoSwitch3-PD高集成度的方案優(yōu)勢(shì)。

InnoSwitch3-PD延續(xù)了InnoSwitch3產(chǎn)品系列高效的優(yōu)勢(shì)，擁有卓越的功率變換能力，其效率最高可達(dá)95%，空載功耗低至14mW。輸出功率可達(dá)100W，且無(wú)需散熱片。可靠耐用，長(zhǎng)使用壽命，擁有完善的保護(hù)特性，且為高功率提供PowiGaN選項(xiàng)、為低功率提供硅開(kāi)關(guān)選項(xiàng)。

封裝上，采用與InnoSwitch3相同的符合安規(guī)的寬爬電距離InSOP-24D封裝（MSL 3），相對(duì)于舊有的InnoSwitch3產(chǎn)品，次級(jí)側(cè)新增了CC1、CC2通信引腳和NTC熱敏電阻監(jiān)測(cè)連接引腳。

InnoSwitch3-PD擁有適合于快充應(yīng)用的各種主要特性，支持USB PD 3.0+PPS和QC4協(xié)議，內(nèi)部搭載一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器。內(nèi)部集成可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的Type-C控制器，符合USB Type-CRev. 1.3標(biāo)準(zhǔn)。所有的USB PD和PPS功能均可在IC內(nèi)部完成，省去了協(xié)議軟件和接口電路的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

InnoSwitch3-PD最大功率能夠達(dá)到100W的輸出，在最大的三個(gè)器件中使用了PowiGaN的氮化鎵開(kāi)關(guān)，在較小的三個(gè)器件中使用了舊有的硅開(kāi)關(guān)。

如果客戶的PD應(yīng)用沒(méi)有特殊的應(yīng)用需求，則可采用PI提供的標(biāo)準(zhǔn)的InnoSwitch3-PD元件型號(hào)，其根據(jù)不同輸出功率應(yīng)用范圍，已經(jīng)固化了協(xié)議軟件在IC內(nèi)部。適合不同的PDO或APDO輸出特性需求。

針對(duì)InnoSwitch3-PD，PI還推出了兩個(gè)參考設(shè)計(jì)，其一是45W USB PD 3.0 + PPS的DER-837，其二是60W USB PD 3.0 + PPS的RDR-838。