一张电路图为PD/Type-C创新而生

2021-09-27 13:57

文︱立厷

图︱网络

 

 

USB充电器大家都在用,而USB PD(USB电源传输)规范也已发展到3.1版。作为一种快充技术,PD的应用的推广不断深入,开发这类产品的厂商很多,但要设计一个既符合USB Type-C标准和PD 3.0协议要求,同时只使用一个IC,在降低成本的同时实现更高功率密度,易于大批量生产的PD产品还是有点难度。

 

 

PD和Type-C有什么区别?

 

PD协议是USB-IF组织制定的快速充电协议之一。USB PD可通过USB电缆和连接器增加电力输送,扩展USB应用电缆总线供电能力。该规范支持更高的电压和电流,输送功率最高可达100W,并可以自由改变电力输送方向。

 

Type-C接口默认支持最大5V/3A,但在采用了USB PD协议以后,能够使输出功率支持最大100W。Type-C接口可以正反随便插,做充电线时,Type-C可提供最高100W的功率;做数据线时,Type-C的最快传输速度可达10Gbps。两者结合在市场上应用比较广泛,可为相得益彰。

 

以往,那些“永远在线”的消费者随时随地都可能为便携式电子产品充电。但是,由于每个设备的充电方式不同,消费者必须携带不同的适配器。因此,业界开始考虑使用USB Type-C PD充电,但是设计一个单芯片充电器集成电路(IC)为不同配置和不同输入电压范围的多个电池供电设备充电是一个复杂的过程,因为传统适配器不能与所有电池供电设备兼容,且传统USB适配器的功率限制在5-15W,因此限制了“统一”充电器的努力。

 

USB Type-C供电(USB PD)提供了一种有效的替代方案,可对各种应用进行快速有效的充电。USB PD的输出电压范围可根据使用不同电池配置的设备进行调整,以利用USB PD的5W至100W(20V/5A)功率谱。

 

持续设计创新

 

最近,Power Integrations(PI)推出了一款名为InnoSwitchTM 3-PD的高度集成的USB-C PD + PPS电源适配器解决方案。PI公司高级技术培训经理阎金光表示,InnoSwitch3-PD恰逢其时,正好迎合PD产品在便携式应用的推广热潮,而且还有采用氮化镓(GaN)的选择,让功率密度更上一层楼。

 

据介绍,针对USB PD设计与创新,PI一直不遗余力,推出了一系列产品,包括:

 

2015年,推出了InnoSwitch加FluxLink™。FluxLink是世界上首先出现的一款初级和次级之间用两个线圈耦合来传输次级信息的IC;

2017年,推出了第三代InnoSwitch3;

2019年,推出InnoSwitch3-Pro,有I2C接口,可以和微处理器通信。微处理器是实现PD协议的接口,用的是Type-C接口和负载通信,所以实际上InnoSwitch3加了一个数字接口跟外部控制器通信;同时针对更大功率输出,如最大功率100W的20V,5A PD应用,在三个产品型号中采用了PowiGaN™ 开关;

 

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2020年,为了满足配件市场对电源更高功率密度的要求,推出了MinE-CAP™,主要是降低输入大电容所占的空间和尺寸,有助于在不改变工作频率的情况下进一步缩小电源体积。

2021年,发布的InnoSwitch4-CZ,利用ClampZero实现源钳位工作和同步整流实现了更小的电源体积。在USB-PD应用中,无论是最开始的InnoSwitch,到现在最新的InnoSwitch4第四代产品,PI始终致力于提供更大的输出功率,同时实现更高的功率密度,这是PI研发USB-PD应用的初衷。

 

 

一张图实现多项创新

 

这次发布的产品叫做InnoSwitch3-PD,之前PI的系列产品都有PD功能,为什么还要做InnoSwitch3-PD呢?原来这是一个简化BOM的PD应用方案。

 

不要小看这张原理图,它只有一个IC与外边Type-C的CC1和CC2通信;IC内部集成了MCU(微控制器)。而目前市场上很多IC要么是功率器件,要么是数字器件,后者不承担传输功率的功能,但现在InnoSwitch3-PD既是一个功率器件,内部有高压MOS管、两个电源控制器,又有数字电路和MCU,可以从接口直接连接Type-C接口。

 

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图:一张图多项创新

① IC初级侧集成了初级功率高压开关,对于功率比较大的用例,可以选择GaN开关,就是氮化镓开关。其操作方式跟以前的InnoSwitch3一样,即多模式QR(准谐振)和CCM(连续导通模式)。QR电源为非连续工作状态,在波谷地方导通,可以降低初级开关的开通损耗。

 

反激电源基本上在低压输入情况下都是连续工作模式,好处是可以降低初级交流有效值,进而降低导通损耗。所以在反激应用当中,有必要优化这种工作模式。难点之一是在CCM模式工作时,初级侧有一个功率开关,次级侧用了同步整流MOS管。而这两个开关是不能同时导通的。如果同时导通,电源就会炸掉。那么,用一个控制器同时控制两个功率开关就可以保证两个开关时序不会出现同时导通的情况,这也非常有利于在CCM模式工作,可靠性非常高。

 

② 次级侧同步整流MOS管由该控制器直接驱动,如果用一个控制器控制初级开关,次级是另一个控制器控制同步整流,两个控制器的协同工作就是一个很大的问题,甚至在各种ESD情况下,可能会出现误导通,对电源的可靠性产生影响,而一个控制器就不存在这样的问题。同步整流是用MOS管替代经常见的二极管整流,后者的导通损耗比较高,所以为了提升效率,现在在市场上的低压大电流应用大部分都是用同步整流方案。再者,一个控制器控制两个功率开关,可以将开关操作的死区时间做的尽量短,进而增加次级同步整流MOS的导通时间,最大限度地提升电源效率。

 

③ 在USB-PD应用中,在输出直流母线上还有一个功率开关,这个开关一般在Type-C接口有电缆插入(如手机)有负载时才会导通。一旦它检测到空载或是拔掉了电缆,开关断开,输出端就不会有电压出现,这是USB-PD协议中要求的安全可靠性。负载开关的驱动也集成在了InnoSwitch3-PD IC的内部,直接提供负载保护,无需额外的外部电路元件来实现。

 

④ 次级侧的USB-PD MCU,主要工作是负载类型检测,确定是有源负载还是无源负载。笔记本电脑等有源负载既可以作为供电设备给其他设备供电,比如给手机充电,又可以作为受电设备,接受接受其他供电电源对其进行充电。所以USB-PD要根据负载类型判断所连接的设备到底是有源还是无源负载。这时会通过CC1和CC2进行负载判定。需要用控制器中集成的程序对负载类型作出判断,还要做电缆E-marker(电子标识)检测。Type-C电缆有不同输出规格,3A以下的电缆内部没有识别IC,而某些电缆中会放一个小的IC,目的是让连接的设备对其加以识别,检测到E-marker就表明该电缆可以传输最大5A的负载电流;3A以下的输出电缆不需要E-marker识别IC。

 

 如果是100W的20V/5A电源,就一定要用E-marker电缆。USB-PD控制器内部的VBUS/VCONN开关控制功能可以保证给E-marker电缆中的IC提供供电电压,以进行电缆识别检测,VCONN的电压通常为3.3V或者5V。InnoSwitch3-PD IC也可以直接输出提供。作为USB-PD应用的连接设备,使用InnoSwitch3-PD的设备仅作为供电设备而存在,因适配器本身不会做为受电设备与其他设备连接。IC内部的软件支持PPS(可编程电源),可以对输出电压和电流进行精确设定。IC的输出引脚CC1和CC2直接与电缆的CC1和CC2线相连,进行代码传输(高低电平),接受负载发送的电压电流设定信息。CC1和CC2的额定电压最大达到28V,而PD应用中最高电压就是20V,所以电压额定是安全的。如果有更高的电压进来,会提供OVP保护。内部集成的VCONN供电电压也是通过这两个线传输。

 

⑥ InnoSwitch3-PD IC还提供一个NTC温度检测输入,以检测电源系统中的某一个地方的温度,温敏电阻可以安装在电源内部温升高的地方,进行系统温度监测,比如变压器、输出整流管或者Type-C连接器。如果有温度异常,可以利用InnoSwitch3-PD内部的软件对其做出响应。

 

 使用InnoSwitch3-PD的电源不像以前的反激电源有一个电压采样,实现固定的电压或电流输出特性。这是USB-PD应用的一个好处,PD应用是根据负载的需求来设定其输出电压或电流的。它的输出电压范围是3到24V可调,每个档位之间的压差是10mV,按照PD标准要求每20mV一档,而PI做到每10mV一档,可以得到更加精确的输出电压;电流亦然,恒流点可真最大输出数值的20%-100%之间认为设定;电流可调的档位是最大输出数值的0.8%。电压、电流进行精确调整的好处在于,可以省去负载端的DC-DC电源管理IC,有利于降低用电负载端内部的功耗,降低负载充电期间的温升。充电时电流越大,损耗越多,现在利用对AC-DC电压、电流的调整,就可以通过指令来让AC-DC输出端精确达到电池所需的充电电压,这不但可以节省成本,还可以提升充电效率,这就是PD控制协议出现的初衷。

 

 最后,对于USB-PD的应用,PI这颗还提供负载放电功能,一旦负载从适配器输出端断开,IC会通过VB/D引脚对输出端放电,以保证输出端电压为零伏。

 

 

相比竞品优势何在?

 

相对于传统竞品方案,InnoSwitch3-PD节省了更多元件,可以简化BOM。对标有竞品1和竞品2,人们经常听到PD电源是一个3芯片方案,或者是一个4芯片方案。统计表明,包括初级侧控制IC、次级同步整流控制IC、USB协议通信IC加在一起的3芯片解决方案,其所用元件数目可达118个,而外加另外一颗有源钳位驱动IC的4芯片方案元件总数会达到124个。采用InnoSwitch4-CZ有源钳位方案后,可将总元件数目降低至79个元件,但如果采用最新高集成度的InnoSwitch3-PD方案,所用元件仅为60个,相对于市场上其他方案几乎减少了一半。这带来最大的好处就是可以将电源做得更小,同时增加可靠性。

 

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图:60W USB-PD适配器元件数比较

利用市场上唯一的单芯片解决方案同时做到了同步整流驱动、初级开关控制,还有PD协议控制。其20W小魔方充电器设计的体积比5W充电器大不了多少,几乎在同一个量级。所用元件数为44个,每立方厘米功率密度高达1W。50W超薄型充电器采用INN3870C + MinE-CAP单PCB设计、平面变压器,元件数60个,功率密度为1.12W/cm3。65W小魔方充电器采用INN3870C,简单的双PCB设计,元件数53个,功率密度1.36W/cm3。这些方案使用一到两块PCB,抗振动冲击能力比使用3块以上PCB的产品更好。同时也可以大大简化适配器的制造生产流程,节省成本。

 

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图:单芯片方案最少元件数实现超紧凑设计

InnoSwitch3-PD效率可达95%,空载功耗低至14mW,把Type-C和PD协议控制器集成到功率IC内部,避免了采用不同厂家协议接口IC带来的空载功耗过大的缺点,可以把空载功耗做得更小。100W方案涵盖了PD最大功率的应用,因为其高效率,所以在很多设计中都不用散热片,对于高功率密度的设计也确实没有空间放散热片。对于较大输出功率的可以使用PowiGaN,功率比较小的应用采用硅技术的MOSFET更具成本优势。

 

封装方面和以前一样,唯一不同的是增加了一些引脚,包括直接连接Type-C协议通信的CC1和CC2引脚;NTC是增加的一个过温检测引脚,可以连接热敏电阻来监测系统中过温故障易发生的位置点。

 

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图:InnoSwitch3-PD封装满足国际安规要求

InnoSwitch3-PD适用于快充的一些主要特性包括:支持PD3.0和PPS协议,可以实现编程控制,根据负载指令来调整输出电压和电流;兼容高通的QC4.0协议。InnoSwitch3-PD不像一些传统功率器件,其内部有一次性可编程存储器,协议软件需要写进IC内部,而且可根据客户的特殊应用需求对软件加以定制,批量供货的IC会已经包含客户定制的协议软件,这样可以大大简化客户微处理器协议软件的维护,产品研发期间也无需请专门的软件工程师写PD软件,节省研发时间。内部集成Type-C控制器可简化设计,符合USB Type-C 1.3标准,提供的上拉电流源可用于负载和线缆的检测,VCONN供电用于电子标识线缆的识别;同时提供CC1/CC2线的过压保护(28V)功能。

 

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图:高功率密度设计

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与PI其他的InnoSwitch3器件相比,InnoSwitch3-PD最大输出功率可达100W,主要用于PD适配器的应用。PI提供多款元件型号,涵盖不同的功率应用范围。如用户没有特殊的PD应用需求,PI提供的标准型号产品内部已经集成了PD协议软件,包含不同的PDO(电源数据对象)输出参数;对应不同功率大小,也有相应的APDO(增强电源数据对象)输出特性,组合非常灵活。

 

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图:InnoSwitch3与之前产品的特性比较

InnoSwitch3-PD增加的一些功能包括:内部集成Type-C控制器,提供集成VCONN开关、BMG(双向符号编码)发送和接收,所谓BMC是用一条线同时传输数据和时钟,通过相位变化来表示数据是0还是1;最后提供所有必需的USB-PD和PPS功能。

 

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图:两款参考设计

总之,InnoSwitch3-PD是唯一的USB PD单芯片解决方案,承袭了InnoSwitch3系列一贯的卓越性能,效率极高,低空载功耗,具有完善的保护,可以显著减少BOM,非常适合要求超薄小巧外形的应用或超薄设计,单面PCB易于大批量生产。

 

 

 

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