可編程、小巧及高效零電壓開關電源IC助USB PD設計推陳出新

導讀

2021年5月，USB-IF協(xié)會發(fā)布最新的USB PD3.1快充標準，標志著USB PD快充技術迎來了發(fā)展史上的一次重大更新。新標準將為整個電源行業(yè)帶來新的市場機遇，尤其是快充芯片、MOSFET、協(xié)議芯片、E-Marker芯片、充電線纜和連接器等相關產業(yè)鏈獲得重大利好。

作為專注于半導體領域高壓功率轉換的技術創(chuàng)新型公司，Power Integrations（PI）是緊跟行業(yè)標準不斷創(chuàng)新，為客戶提供各種迎合潮流的電源IC。在德國慕尼黑電子展（Electronica）期間，PI又推出了InnoSwitch?4-Pro系列數字控制離線恒壓/恒流零電壓開關（ZVS）反激式IC，助力大幅縮減電源適配器的尺寸。PI資深技術培訓經理Jason Yan在新品媒體溝通會上詳細解讀了這款中功率應用的高效解決方案。

回顧InnoSwitch?4-Pro之前

在發(fā)布InnoSwitch?4-Pro之前，PI的產品陣容中已經有了具備廣泛適用性的InnoSwitch3-Pro，可以說在USB PD設計方面是一脈相承。這次推出的新產品是有源鉗位數字可編程反激式氮化鎵開關IC，可以實現(xiàn)超過95%的效率，且外形小巧，同時兼容USB PD和通用快充技術規(guī)范（UFCS）的適配器設計，輸出功率高達220W。

這些高度集成的器件采用穩(wěn)定耐用的PowiGaN氮化鎵初級開關，穩(wěn)態(tài)開關頻率高達140kHz，有助于縮小磁芯尺寸，并使用平面變壓器，從而減少用于手機、筆記本電腦、平板電腦和多端口配件市場的超緊湊適配器應用所需的元件數量和PCB板面積。

Jason Yan表示：“我們現(xiàn)在的大功率產品都在初級側集成了氮化鎵開關，而且集成了很多新的特性和功能。”

他介紹說，早在2015年PI就推出了USB PD設計，包括采用磁感耦合方式實現(xiàn)初級側和次級側信號耦合；2017年推出第三代產品，采用革新的控制方式以降低在較大功率應用當中音頻噪聲對用戶的困擾，進而適應更高輸出功率充電器的使用需求；2018年推出了氮化鎵產品，發(fā)揮了開關速度快、損耗低的優(yōu)勢。

為了實現(xiàn)在設計不做較大改動、不改變開關頻率的情況下進一步縮小電源體積，2020年PI推出了采用氮化鎵開關的MinE-CAPIM，大大縮減了輸入電容的體積；2021年，PI又推出了第四代的有源鉗位的InnoSwitch產品以及把MCU集成進芯片的USB PD應用IC。

InnoSwitch4-Pro的效率及其他

Jason Yan介紹說，InnoSwitch3-Pro是一款具有多功能智能接口、方便數字編程控制的高效功率變換IC，是市面上第一個將模擬電路和數字電路集成在一起的功率器件，而一般功率器件都是模擬器件，里面沒有數字電路。這樣做的好處是可以大大提升開關電源的智能化水平，利于實現(xiàn)一些功率特性的高級管理和控制。

InnoSwitch4-Pro IC內部同時集成了堅固耐用的750V PowiGaN初級開關、控制器、用于次級側控制的FluxLink?加強絕緣反饋鏈路、I2C接口、有源鉗位驅動和同步整流，能夠提供高達220W的功率。

InnoSwitch4-Pro IC采用獨特的控制方法，在DCM和CCM中都能實現(xiàn)ZVS。與ClampZero IC搭配使用時，該控制方法可支持更高的操作頻率，而不會造成效率的下降。InnoSwitch4-Pro產品單獨使用時，在DCM和CCM模式下還同時支持準諧振的開關工作，還可選擇僅采用DCM模式工作以降低SR FET電壓應力。新IC還具有優(yōu)化的命令集以降低I2C數據擁堵的可能性。

ZVS結合PowiGaN?技術幾乎消除了開關損耗，效率超過95%，使設計人員能夠省去熱管理通常需要的散熱片、導熱片和灌封材料，也進一步減輕了適配器的重量。

如果在使用InnoSwitch4-Pro和ClampZero IC之外再使用MinE-CAP?器件，則可以進一步減小適配器的尺寸。MinE-CAP IC同樣基于PowiGaN技術，可將輸入電容的尺寸減小約40%。

InnoSwitch4-Pro是不依賴于協(xié)議的產品，可以和所有標準協(xié)同工作，對電源的各種特性進行控制，加上高頻有源鉗位功能，意味著可實現(xiàn)極小尺寸的設計。它支持USB-PD、PPS、UFCS和其他各種客戶定制化協(xié)議，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令輸入，具有增強的報告功能及更多可編程設定保護特性。

Jason Yan解釋說，將增強的I2C接口與InnoSwitch4-CZ有源鉗位高效特性相結合，可以實現(xiàn)無損耗鉗位，也就是初級鉗位漏感能量的回收再利用。在初級功率開關關斷之后，漏感當中儲存的能量會暫時放到電容中，在一定時序控制之后，再把這個電容儲存的能量通過變壓器釋放到次級，由負載消耗掉。傳統(tǒng)電路的漏感能量是被鉗位電路以發(fā)熱形式損耗掉的，而有了有源鉗位，就可以回收再利用漏感能量。

高集成度可極大簡化全數控高效率電源的開發(fā)和制造。InnoSwitch4-Pro數字控制的反激電源IC與ClampZero和MinE-CAP配套器件搭配使用，可滿足OEM原裝、非原裝USB PD和通用快充技術規(guī)范（UFCS）適配器市場應用非常需要的超緊湊和纖薄外形的設計要求。

InnoSwitch4-Pro反激式開關IC可提供優(yōu)異的恒壓/恒流精度，不受外圍元件參數變化的影響，并且在提供輸入電壓檢測等安全及保護功能的情況下，其空載功耗小于30mW。該器件具有完善的保護功能，可提供用于輸出過壓和欠壓保護的自動重啟動或鎖存故障響應方式，以及提供多個輸出欠壓故障閾值、鎖存或遲滯初級過溫保護以及輸出母線開關短路保護。

簡化設計，支持廣泛應用

可編程設定的高性能功率變換IC InnoSwitch4-Pro支持廣泛的應用，PI同時為推出了兩款參考設計DER-960（100W）和RDK-942（65W），可供需要評估InnoSwitch4-Pro IC的設計人員使用。

Jason Yan最后介紹了UFCS，它是中國通信標準化協(xié)會發(fā)布的用于配件適配器市場的新興標準，也是中國推廣通用充電標準的一部分。InnoSwitch4-Pro基于中國的快充技術標準，同時兼顧了中國專有的一些快充標準。其超薄的InSOP?-28D封裝，具有更寬的爬電間距，易于滿足國際各種安全標準的要求。

轉載自“PSD功率系統(tǒng)設計”