USB充電器大家都在用,而USB PD(USB電源傳輸)規范也已發展到3．1版。作為一種快充技術,PD的應用的推廣不斷深入,開發這類產品的廠商很多,但要設計一個既符合USB Type-C標準和PD 3．0協議要求,同時只使用一個IC,在降低成本的同時實現更高功率密度,易于大批量生產的PD產品還是有點難度。
PD和Type-C有什么區別?
PD協議是USB-IF組織制定的快速充電協議之一。USB PD可通過USB電纜和連接器增加電力輸送,擴展USB應用電纜總線供電能力。該規范支持更高的電壓和電流,輸送功率最高可達100W,并可以自由改變電力輸送方向。
Type-C接口默認支持最大5V/3A,但在采用了USB PD協議以后,能夠使輸出功率支持最大100W。Type-C接口可以正反隨便插,做充電線時,Type-C可提供最高100W的功率;做數據線時,Type-C的最快傳輸速度可達10Gbps。兩者結合在市場上應用比較廣泛,可為相得益彰。
以往,那些“永遠在線”的消費者隨時隨地都可能為便攜式電子產品充電。但是,由于每個設備的充電方式不同,消費者必須攜帶不同的適配器。因此,業界開始考慮使用USB Type-C PD充電,但是設計一個單芯片充電器集成電路(IC)為不同配置和不同輸入電壓范圍的多個電池供電設備充電是一個復雜的過程,因為傳統適配器不能與所有電池供電設備兼容,且傳統USB適配器的功率限制在5-15W,因此限制了“統一”充電器的努力。
USB Type-C供電(USB PD)提供了一種有效的替代方案,可對各種應用進行快速有效的充電。USB PD的輸出電壓范圍可根據使用不同電池配置的設備進行調整,以利用USB PD的5W至100W(20V/5A)功率譜。
持續設計創新
最近,Power Integrations(PI)推出了一款名為InnoSwitchTM 3-PD的高度集成的USB-C PD + PPS電源適配器解決方案。PI公司高級技術培訓經理閻金光表示,InnoSwitch3-PD恰逢其時,正好迎合PD產品在便攜式應用的推廣熱潮,而且還有采用氮化鎵(GaN)的選擇,讓功率密度更上一層樓。
據介紹,針對USB PD設計與創新,PI一直不遺余力,推出了一系列產品,包括:
2015年,推出了InnoSwitch加FluxLink。FluxLink是世界上首先出現的一款初級和次級之間用兩個線圈耦合來傳輸次級信息的IC;
2017年,推出了第三代InnoSwitch3;
2019年,推出InnoSwitch3-Pro,有I2C接口,可以和微處理器通信。微處理器是實現PD協議的接口,用的是Type-C接口和負載通信,所以實際上InnoSwitch3加了一個數字接口跟外部控制器通信;同時針對更大功率輸出,如最大功率100W的20V,5A PD應用,在三個產品型號中采用了PowiGaN? 開關;
2020年,為了滿足配件市場對電源更高功率密度的要求,推出了MinE-CAP?,主要是降低輸入大電容所占的空間和尺寸,有助于在不改變工作頻率的情況下進一步縮小電源體積。
2021年,發布的InnoSwitch4-CZ,利用ClampZero實現源鉗位工作和同步整流實現了更小的電源體積。在USB-PD應用中,無論是最開始的InnoSwitch,到現在最新的InnoSwitch4第四代產品,PI始終致力于提供更大的輸出功率,同時實現更高的功率密度,這是PI研發USB-PD應用的初衷。
一張圖實現多項創新
這次發布的產品叫做InnoSwitch3-PD,之前PI的系列產品都有PD功能,為什么還要做InnoSwitch3-PD呢?原來這是一個簡化BOM的PD應用方案。
不要小看這張原理圖,它只有一個IC與外邊Type-C的CC1和CC2通信;IC內部集成了MCU(微控制器)。而目前市場上很多IC要么是功率器件,要么是數字器件,后者不承擔傳輸功率的功能,但現在InnoSwitch3-PD既是一個功率器件,內部有高壓MOS管、兩個電源控制器,又有數字電路和MCU,可以從接口直接連接Type-C接口。
圖:一張圖多項創新
① IC初級側集成了初級功率高壓開關,對于功率比較大的用例,可以選擇GaN開關,就是氮化鎵開關。其操作方式跟以前的InnoSwitch3一樣,即多模式QR(準諧振)和CCM(連續導通模式)。QR電源為非連續工作狀態,在波谷地方導通,可以降低初級開關的開通損耗。
反激電源基本上在低壓輸入情況下都是連續工作模式,好處是可以降低初級交流有效值,進而降低導通損耗。所以在反激應用當中,有必要優化這種工作模式。難點之一是在CCM模式工作時,初級側有一個功率開關,次級側用了同步整流MOS管。而這兩個開關是不能同時導通的。如果同時導通,電源就會炸掉。那么,用一個控制器同時控制兩個功率開關就可以保證兩個開關時序不會出現同時導通的情況,這也非常有利于在CCM模式工作,可靠性非常高。
② 次級側同步整流MOS管由該控制器直接驅動,如果用一個控制器控制初級開關,次級是另一個控制器控制同步整流,兩個控制器的協同工作就是一個很大的問題,甚至在各種ESD情況下,可能會出現誤導通,對電源的可靠性產生影響,而一個控制器就不存在這樣的問題。同步整流是用MOS管替代經常見的二極管整流,后者的導通損耗比較高,所以為了提升效率,現在在市場上的低壓大電流應用大部分都是用同步整流方案。再者,一個控制器控制兩個功率開關,可以將開關操作的死區時間做的盡量短,進而增加次級同步整流MOS的導通時間,最大限度地提升電源效率。
③ 在USB-PD應用中,在輸出直流母線上還有一個功率開關,這個開關一般在Type-C接口有電纜插入(如手機)有負載時才會導通。一旦它檢測到空載或是拔掉了電纜,開關斷開,輸出端就不會有電壓出現,這是USB-PD協議中要求的安全可靠性。負載開關的驅動也集成在了InnoSwitch3-PD IC的內部,直接提供負載保護,無需額外的外部電路元件來實現。
④ 次級側的USB-PD MCU,主要工作是負載類型檢測,確定是有源負載還是無源負載。筆記本電腦等有源負載既可以作為供電設備給其他設備供電,比如給手機充電,又可以作為受電設備,接受接受其他供電電源對其進行充電。所以USB-PD要根據負載類型判斷所連接的設備到底是有源還是無源負載。這時會通過CC1和CC2進行負載判定。需要用控制器中集成的程序對負載類型作出判斷,還要做電纜E-marker(電子標識)檢測。Type-C電纜有不同輸出規格,3A以下的電纜內部沒有識別IC,而某些電纜中會放一個小的IC,目的是讓連接的設備對其加以識別,檢測到E-marker就表明該電纜可以傳輸最大5A的負載電流;3A以下的輸出電纜不需要E-marker識別IC。
⑤ 如果是100W的20V/5A電源,就一定要用E-marker電纜。USB-PD控制器內部的VBUS/VCONN開關控制功能可以保證給E-marker電纜中的IC提供供電電壓,以進行電纜識別檢測,VCONN的電壓通常為3．3V或者5V。InnoSwitch3-PD IC也可以直接輸出提供。作為USB-PD應用的連接設備,使用InnoSwitch3-PD的設備僅作為供電設備而存在,因適配器本身不會做為受電設備與其他設備連接。IC內部的軟件支持PPS(可編程電源),可以對輸出電壓和電流進行精確設定。IC的輸出引腳CC1和CC2直接與電纜的CC1和CC2線相連,進行代碼傳輸(高低電平),接受負載發送的電壓電流設定信息。CC1和CC2的額定電壓最大達到28V,而PD應用中最高電壓就是20V,所以電壓額定是安全的。如果有更高的電壓進來,會提供OVP保護。內部集成的VCONN供電電壓也是通過這兩個線傳輸。
⑥ InnoSwitch3-PD IC還提供一個NTC溫度檢測輸入,以檢測電源系統中的某一個地方的溫度,溫敏電阻可以安裝在電源內部溫升高的地方,進行系統溫度監測,比如變壓器、輸出整流管或者Type-C連接器。如果有溫度異常,可以利用InnoSwitch3-PD內部的軟件對其做出響應。
⑦ 使用InnoSwitch3-PD的電源不像以前的反激電源有一個電壓采樣,實現固定的電壓或電流輸出特性。這是USB-PD應用的一個好處,PD應用是根據負載的需求來設定其輸出電壓或電流的。它的輸出電壓范圍是3到24V可調,每個檔位之間的壓差是10mV,按照PD標準要求每20mV一檔,而PI做到每10mV一檔,可以得到更加精確的輸出電壓;電流亦然,恒流點可真最大輸出數值的20%-100%之間認為設定;電流可調的檔位是最大輸出數值的0．8%。電壓、電流進行精確調整的好處在于,可以省去負載端的DC-DC電源管理IC,有利于降低用電負載端內部的功耗,降低負載充電期間的溫升。充電時電流越大,損耗越多,現在利用對AC-DC電壓、電流的調整,就可以通過指令來讓AC-DC輸出端精確達到電池所需的充電電壓,這不但可以節省成本,還可以提升充電效率,這就是PD控制協議出現的初衷。
⑧ 最后,對于USB-PD的應用,PI這顆還提供負載放電功能,一旦負載從適配器輸出端斷開,IC會通過VB/D引腳對輸出端放電,以保證輸出端電壓為零伏。
相比競品優勢何在?
相對于傳統競品方案,InnoSwitch3-PD節省了更多元件,可以簡化BOM。對標有競品1和競品2,人們經常聽到PD電源是一個3芯片方案,或者是一個4芯片方案。統計表明,包括初級側控制IC、次級同步整流控制IC、USB協議通信IC加在一起的3芯片解決方案,其所用元件數目可達118個,而外加另外一顆有源鉗位驅動IC的4芯片方案元件總數會達到124個。采用InnoSwitch4-CZ有源鉗位方案后,可將總元件數目降低至79個元件,但如果采用最新高集成度的InnoSwitch3-PD方案,所用元件僅為60個,相對于市場上其他方案幾乎減少了一半。這帶來最大的好處就是可以將電源做得更小,同時增加可靠性。
圖:60W USB-PD適配器元件數比較
利用市場上唯一的單芯片解決方案同時做到了同步整流驅動、初級開關控制,還有PD協議控制。其20W小魔方充電器設計的體積比5W充電器大不了多少,幾乎在同一個量級。所用元件數為44個,每立方厘米功率密度高達1W。50W超薄型充電器采用INN3870C + MinE-CAP單PCB設計、平面變壓器,元件數60個,功率密度為1．12W/cm3。65W小魔方充電器采用INN3870C,簡單的雙PCB設計,元件數53個,功率密度1．36W/cm3。這些方案使用一到兩塊PCB,抗振動沖擊能力比使用3塊以上PCB的產品更好。同時也可以大大簡化適配器的制造生產流程,節省成本。
圖:單芯片方案最少元件數實現超緊湊設計
InnoSwitch3-PD效率可達95%,空載功耗低至14mW,把Type-C和PD協議控制器集成到功率IC內部,避免了采用不同廠家協議接口IC帶來的空載功耗過大的缺點,可以把空載功耗做得更小。100W方案涵蓋了PD最大功率的應用,因為其高效率,所以在很多設計中都不用散熱片,對于高功率密度的設計也確實沒有空間放散熱片。對于較大輸出功率的可以使用PowiGaN,功率比較小的應用采用硅技術的MOSFET更具成本優勢。
封裝方面和以前一樣,唯一不同的是增加了一些引腳,包括直接連接Type-C協議通信的CC1和CC2引腳;NTC是增加的一個過溫檢測引腳,可以連接熱敏電阻來監測系統中過溫故障易發生的位置點。
圖:InnoSwitch3-PD封裝滿足國際安規要求
InnoSwitch3-PD適用于快充的一些主要特性包括:支持PD3．0和PPS協議,可以實現編程控制,根據負載指令來調整輸出電壓和電流;兼容高通的QC4．0協議。InnoSwitch3-PD不像一些傳統功率器件,其內部有一次性可編程存儲器,協議軟件需要寫進IC內部,而且可根據客戶的特殊應用需求對軟件加以定制,批量供貨的IC會已經包含客戶定制的協議軟件,這樣可以大大簡化客戶微處理器協議軟件的維護,產品研發期間也無需請專門的軟件工程師寫PD軟件,節省研發時間。內部集成Type-C控制器可簡化設計,符合USB Type-C 1．3標準,提供的上拉電流源可用于負載和線纜的檢測,VCONN供電用于電子標識線纜的識別;同時提供CC1/CC2線的過壓保護(28V)功能。
圖:高功率密度設計
與PI其他的InnoSwitch3器件相比,InnoSwitch3-PD最大輸出功率可達100W,主要用于PD適配器的應用。PI提供多款元件型號,涵蓋不同的功率應用范圍。如用戶沒有特殊的PD應用需求,PI提供的標準型號產品內部已經集成了PD協議軟件,包含不同的PDO(電源數據對象)輸出參數;對應不同功率大小,也有相應的APDO(增強電源數據對象)輸出特性,組合非常靈活。
圖:InnoSwitch3與之前產品的特性比較
InnoSwitch3-PD增加的一些功能包括:內部集成Type-C控制器,提供集成VCONN開關、BMG(雙向符號編碼)發送和接收,所謂BMC是用一條線同時傳輸數據和時鐘,通過相位變化來表示數據是0還是1;最后提供所有必需的USB-PD和PPS功能。
圖:兩款參考設計
總之,InnoSwitch3-PD是唯一的USB PD單芯片解決方案,承襲了InnoSwitch3系列一貫的卓越性能,效率極高,低空載功耗,具有完善的保護,可以顯著減少BOM,非常適合要求超薄小巧外形的應用或超薄設計,單面PCB易于大批量生產。
