Silanna 的降压转换器：电源设计

1、概述

电源系统设计包括设计参数之间的许多权衡，例如尺寸、成本、效率和负载瞬态性能。为了设计功率级，必须建立各种特性，例如瞬态容限、纹波电压和负载特性。系统设计人员正专注于通过更好地控制电池特性来使用新的电路拓扑来提高电源转换效率，以开发具有更长运行时间和更小的占位面积的系统。低效率对应于增加的功耗，必须充分处理。较低的开关频率会降低开关损耗，但较高的开关频率可提供更高的性能和更快的瞬态响应。西兰娜半导体推出了智能功率共享降压转换器电源IC。具有集成 USB-PD/FC 端口控制器的新型 SZPL3002A 降压转换器 IC 可显着减少执行 65-W 快速充电器和具有多达四个端口的适配器应用所需的组件数量。该电源 IC 采用完全集成的 USB-PD 控制器、MCU 和 VCONN 电缆通信协议，在这款高效 DC/DC 降压转换器中实现智能电源共享。

Silanna Semiconductor 的产品营销总监 Hubie Noto 在接受采访时表示，SZPL3002A 电源 IC 通过将高效同步降压转换器和先进的端口控制器集成到单个 5 × 5-mm QFN 中来满足 98% 的效率包裹。

PD 控制器通过均衡功率从幕后智能地运行。该器件适用于从 667 kHz 到 1 MHz 的开关频率。

“这款设备还有另一个独特的功能，我们称之为省电模式，”Noto 说。“当你没有连接任何负载时，通常其他人只是做待机，这通常仍然会消耗电力。在我们的例子中，如果用户最初在设计中选择切换到省电模式，DC/DC 部分会完全关闭，但 PD 控制器仍在运行。然后，PD 控制器继续以低于微瓦的功耗监控直流线路。”

内置端口控制器支持USB PD V3.0 Type-C接口以及QC2.0-/3.0-/4.0-/5.0-type A/C接口。该控制器促进了两个、三个或四个端口之间的电源共享和端口电源重新平衡功能，确保端口电源响应特定设备的需求，无论何时建立连接。

2、热保护

“许多人担心连接过热，”诺托说。“这样做的原因是因为它们在插入时没有得到充分评估。所有这些连接最终都会松动。当它们失去 VBUS 连接时，它们会间歇性地接触，这可能会产生热量，因为它会导致高电阻。整个温度腔由我们的集成电路检测。当它变得太热时，最好将其关闭或降低其功率。我们的系统进入防御模式。” 如果温度达到可编程警告级别，SZPL3002A 会与连接的设备重新协商较低的功率级别(较低的电流)。如果温度继续升高超过可编程的临界水平，则端口断开。

新型 SZPL3002A 具有五种可配置的预加载电源合同配置，允许 OEM 在众多产品设计中使用单个设备。电源重新平衡将未充分利用的电源重新分配到先前连接的端口，而安全的电源节流功能会在满足温度标准时自动切断电流。

许多充电器制造商要求在 Type-C 输出连接器附近进行 NTC 测量。Type-C 连接器触点会因污垢/棉绒而变得电阻，从而在连接器处产生高温。这可能导致烧焦或系统范围的充电单元关闭。一些公司有外部 NTC 输入，但仅用于在过热条件下执行灾难性停机。

Silanna 的降压转换器：电源设计

Silanna 的 DC/DC 产品组合包括高压、高效率、宽输入集成降压转换器，具有可选择的开关频率和旨在提高 USB 端口电源应用性能的独特功能。极低的工作功耗可实现非常低的空载功耗(监管认证的关键规范)，而瞬时内部反馈路径可实现干净且可控的启动操作，直到外部 USB-PD 控制器可以自行偏置并接管输出控制电压。

“为了共享电源，我们在这些芯片中安装了一个 MCU，”Noto 说。“这个 MCU 用于执行实际计算。它基于计算的情况。例如，让我们放置两个 60-W 端口。如果有人连接到第一个端口并为设备充电，我们的 IC 将检测到此请求。我们会将这些信息存储在 MCU 中。但是，假设有人插入第二个端口并要求另一个 60 W。IC 知道它必须处理电源并且不能将所有 60 W 提供给第二个端口。如此突然，60 W 下降了 7.5 W，然后在没有关闭的情况下重新平衡。MCU 通过重新平衡第二个端口的功率自动重新计算;在三个或四个端口的情况下相同。

“当一个设备连接到一个端口——任何端口——它会设定一个合同并从剩余的电力中获取它所需要的东西，”Noto 补充道。“每个端口上的 SZPL3002 智能地相互通信。如果大功率设备(例如笔记本电脑)连接“较晚”，则电源将被优先处理，并从之前未充分利用的端口连接中“收获”。”

SZPL3002A 具有运行固件代码以及 USB 端口配置存储器，需要对其进行编程才能正常运行。SZPL3002A 的三种连接方法可用于编程： 将 Type-C USB 端口连接器连接到应用 PCB 上的目标 PortIC;连接到可选的零插入力插座 PCB 以编程松散的 PortIC 设备(例如，SZ-PROGSOCK-3002-00);通过 I 2 C 线将目标 PCB 上的标头连接到 PortIC。

3、评估板

SZPL3002AA-EVB01 评估板是 SZPL3002A 器件中多端口共享电源操作的设计样本。该平台具有三个 SZPL3002A IC，用于三个端口和两个 2C1A USB 应用。SZPL3002A 可以提供固定输出电压和可编程电源配置文件，以便为链接设备快速充电。该设备还支持 Qualcomm QuickCharge 协议 QC2.0/3.0/4.0/4.0+，因此可以同时处理 Type-A 和 Type-C 输出端口。

包括一个 I 2 C 总线，支持 SZPL3002A 器件之间的 IC 间通信，以实现共享电源、众多输出和充电端口等高级应用。该总线还使在设备中对 OTP 存储器进行编程变得更加容易。两个 65-W Type-C PD 端口和一个 18-W QuickCharge Type-A 端口的合同设置已在设备内预编程。

V IN和 V OUT可以使用 Kelvin 连接进行监控。每个端口都有一个 2 × 2 插头引脚来检测输入电流，从而可以对效率以及线路和负载控制进行可靠的性能评估。用户手册中进一步讨论了输出电压、软启动、工作频率和功率合同的变化。

4、CO2电源管理挑战

在电力转换效率方面，电力行业技术效率的提高在降低 CO 2排放方面发挥了重要作用，其次是可再生能源产生的能源百分比和使用碳含量较低的化石燃料。电力生产和消费的排放对于规划和监测涉及电气行业的温室气体减排活动至关重要。

最近计算出，空载功耗约占手机用电量的三分之二。正如 Silanna 指出的那样，减少功率损耗对于优化能源浪费至关重要。充电器和适配器连接到电源插座但不连接到相关设备所消耗的能量称为空载功率。

目标是创建在零负载下使用最少功率的设备，以最大限度地提高能源效率。Silanna 的 CO 2 Smart Power 理念突出了公司坚持不懈地努力开发更高效的产品的态度，这些产品通过使用更少的能源和更好的性能来促进可持续发展。在大多数情况下，这会立即转化为消耗更少电力的改进产品和系统，从而减少对破坏性 CO 2排放的贡献。

DC/DC 转换器是复杂的系统。即使通过高度集成的 IC 进行简化，它们仍然需要复杂的组件计算和加权 IC 控制器选择。此外，它们易受电路板布局和寄生组件(即，不理想的组件特性，例如电容器中的电阻或 MOSFET 开关中的电容)的影响。

通过 USB 连接，设备可以作为电源或用户进行操作。USB Power Delivery 提供更快的外围设备充电，并允许智能手机、平板电脑和笔记本电脑等设备通过 USB 连接供电，无需电源适配器。网络监视器可以通过 USB-C 连接器为笔记本电脑供电，充当外部硬盘驱动器等外围设备的集线器，并接收和显示来自笔记本电脑的视频数据。除了有效的电源开关解决方案的设备外，电源线还需要保护。