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（納斯達克股票代號POWI，下文簡稱PI）推出內(nèi)置USB PD控制器的InnoSwitch3-PD系列反激式開關IC。

PD指的是利用USB口傳輸功率的意思，圍繞USB PD實際上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資深培訓經(jīng)理JasonYan向21ic電子網(wǎng)詳細解析了這款新產(chǎn)品。

與眾不同的PD方案，只為更高功率密度

早在2015年PI就推出了InnoSwitch和FluxLink，世界上首次出現(xiàn)在初級和次級之間利用兩個線圈耦合來傳輸次級信息的一個IC。

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

2020年，為了應對市場追求更高功率密度設計的研發(fā)趨勢，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積做的進一步縮小。

2021年，PI發(fā)布了以有源鉗位反激拓撲方式工作的InnoSwitch4-CZ芯片。該芯片與另一款來自PI的ClampZero芯片協(xié)同工作，實現(xiàn)有源鉗位。有源鉗位的主要好處是可以將漏感能量回收，降低初級主功率開關管的開通損耗，進而可將轉(zhuǎn)換效率提高至95%。

PI資深培訓經(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，同時實現(xiàn)更高的功率密度。

既然已經(jīng)推出了如此眾多的可應用于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)品可大大簡化PD應用方案的BOM元件數(shù)，并且是市場上唯一個可以做到單芯片的USB PD解決方案。

目前市場上，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關管、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)導線連接。這種獨創(chuàng)的將模擬功率變換電路和數(shù)字電路集成在一個單芯片的方式，極大地提高了系統(tǒng)集成度，簡化了設計。

高度集成方案簡化BOM，精準控制輸出電壓或電流

InnoSwitch3-PD在初級側集成了初級功率開關和控制器，對于較高功率輸出的應用，可以采用集成氮化鎵開關的IC型號。延續(xù)了舊有InnoSwtich3系列IC的多模式QR（準諧振）和CCM（連續(xù)導通）的工作方式，保證電源一致的高效性能。值得一提的是，InnoSwitch3-PD的一個控制器同時控制初級側和次級側兩個功率開關，保證時序不會出現(xiàn)同步整流開關同時開通的情況，有利于在CCM工作方式下工作。

為了提升電源效率，市場上在次級側普遍采用同步整流技術，以降低傳統(tǒng)的使用二極管整流的損耗。這款InnoSwitch3-PD IC同樣提供了次級同步整流驅(qū)動功能。Jason強調(diào)，采用一個控制器控制兩個功率開關，可將兩個開關管時序中的死區(qū)時間做的盡量的短，進而增大同步整流管的導通時間，最大程度的提升效率。再者，一個控制器也極大地提高了可靠性，保證在CCM工作方式下兩個開關管不會出現(xiàn)同時開通的情況。如果采用不同的控制器分別控制兩個功率開關，則不得不將死區(qū)時間做大。否則，在某些惡劣的工作情況下，比如ESD，則會造成開關管誤開通，對電源可靠性造成影響。

為了應對PD應用的特殊要求，即在沒有負載連接適配器時，適配器輸出端不得有電壓存在。在輸出直流母線上往往會串聯(lián)一個母線負載開關。InnoSwitch3-PD IC內(nèi)部集成了N通道的MOSFET負載開關驅(qū)動，以滿足上述要求。此外，產(chǎn)品還提供了VBUS放電功能，當負載拔掉時，輸出端會經(jīng)過IC的引腳進行泄放，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，可對負載類型進行檢測，以判斷負載的類型是有源負載還是無源負載。同樣，E-marker電纜的檢測功能可以用來判斷所連接電纜的帶載能力。對于具有IC的電子標識電纜的檢測，InnoSwitch3-PD還在CC1或CC2線上提供VCONN供電電壓，以判斷標識IC的存在，進而了解輸出電纜的最大承載電流是否大于3A。利用CC1或CC2與負載進行的通訊可對輸出進行精確的電壓電流設定，完成PPS（可編程電源）的PD應用需求。

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

InnoSwitch3-PD的另一個特點是具有一個溫度檢測引腳。其外部可連接一個溫敏電阻，來監(jiān)測系統(tǒng)中不同的發(fā)熱點。甚至可以用來監(jiān)測經(jīng)常插拔的Type-C連接器的觸點溫度。當溫度過高時，可以在軟件中設定響應方式，當過溫故障發(fā)生時對系統(tǒng)加以保護。

“與InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro不同，以前的反激電源中會有一個電壓采樣和FB引腳。InnoSwitch3-PD的輸出電壓直接通過Vout引腳進入控制器”，Jason強調(diào)，InnoSwitch3-PD的其中一個好處便是，可以根據(jù)負載的需求，來設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標準要求每個檔位的可調(diào)壓差在20mV，而PI做到了10mV，做到如此精準控制的意義何在？Jason表示，手機內(nèi)部Buck電源管理IC由于電池充電的需要，必須根據(jù)需求對其輸出電壓進行調(diào)整，因此AC/DC后需要DC/DC進行電壓的控制，AC/DC和DC/DC間不僅會產(chǎn)生損耗，還會引發(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，省卻手機內(nèi)部的DC/DC，降低手機的功耗、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。但如果使用最新的InnoSwitch3-PD方案，則可以將元件數(shù)進一步降低到60個。這相比市場上的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，結構也更簡單，電源的可靠性也會更高。

“這是市場上唯一個可以做到單芯片的解決方案，同時做到了初級開關控制、同步整流驅(qū)動、PD協(xié)議的控制”，Jason如是說。

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

InnoSwitch3-PD延續(xù)了InnoSwitch3產(chǎn)品系列高效的優(yōu)勢，擁有卓越的功率變換能力，其效率最高可達95%，空載功耗低至14mW。輸出功率可達100W，且無需散熱片?？煽磕陀?，長使用壽命，擁有完善的保護特性，且為高功率提供PowiGaN選項、為低功率提供硅開關選項。

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），相對于舊有的InnoSwitch3產(chǎn)品，次級側新增了CC1、CC2通信引腳和NTC熱敏電阻監(jiān)測連接引腳。

InnoSwitch3-PD擁有適合于快充應用的各種主要特性，支持USB PD 3.0+PPS和QC4協(xié)議，內(nèi)部搭載一次性可編程（OTP）存儲器。內(nèi)部集成可簡化設計的Type-C控制器，符合USB Type-CRev. 1.3標準。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發(fā)時間和成本。

InnoSwitch3-PD最大功率能夠達到100W的輸出，在最大的三個器件中使用了PowiGaN的氮化鎵開關，在較小的三個器件中使用了舊有的硅開關。

如果客戶的PD應用沒有特殊的應用需求，則可采用PI提供的標準的InnoSwitch3-PD元件型號，其根據(jù)不同輸出功率應用范圍，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InnoSwitch3-PD，PI還推出了兩個參考設計，其一是45W USB PD 3.0 + PPS的DER-837，其二是60W USB PD 3.0 + PPS的RDR-838。