为 Type-C 连接器传输开发优化的电源适配器

通用串行总线(USB)规格的最新迭代版本 USB 3.1 第 2 代，有望改变 IT、消费、工业及通用嵌入式电子设备交换数据和供电的方式。再加之 Type-C 连接器，它就能够替代许多其它形式的有线连接，而且它已经在便携式消费设备领域呈现迅速增长之趋。这可能与该规格的供电(PD)方面最为相关。随着 Type-C 连接器用于更多设备，用户对供电潜能的意识也将会增加。

短期内，预计 USB - PD 将在离线电源适配器中得以实施，且最有可能用于高端笔记本电脑，这也符合提供更高电源转换能效的趋势。预计至 2025 年，约半数笔记本电脑适配器都将采用 USB - PD。制造商还希望能够优化电器的电源适配器，这可能意味着输出功率在 27 至 100W 之间，这也会影响设计。因此如果制造商要生产各种不同输出功率水平的适配器，能够提供设计灵活性的单一方案将成为首选。

从交流(AC)转到直流(DC)涉及到转换，且不可避免地会造成相关损耗，半导体行业一直在努力减少这样的损耗。当前存在许多电源转换拓扑结构，一般而言，当将成本视为主要问题且能效并不太重要时，可采用初级端稳压(PSR)反激拓扑结构，特别是当输出功率要求相对较低且无需严格的输出电压稳压时。当需要更高输出功率时，为获得更高的能效和更佳的性能，通常首选次级端稳压(SSR)准谐振(QR)反激拓扑结构。

如果控制器实施直接感测(Direct Sensing)，则可以通过很少的附加元件来实现;如果控制器没有实施直接感测，则需要额外的外部元件，这不仅增加了总成本，而且本身会引发额外的延迟，从而降低整体能效。典型情况下，控制器的直接感测引脚需要承受 120V 或更高的电压以用于 USB - PD 应用，为瞬态和异常情况下的瞬时电压尖峰提供足够的余量。

应对功率需求的增加，涉及到导通 MOSFET，因此在这种情况下，导通时间延迟至关重要;如果速度太慢，所需电流将流过 MOSFET 的体二极管而非其沟道，导致无谓的功率损耗和能效下降。

USB - PD 适配器的另一个重要考量是符合轻负载和待机功耗限制，如 CoC Tier 2 和 DoE 6 级。多数地区都已采用这些或同等标准。无负载时，电源需要能够检测到这一点，同时仍能向控制电路(例如 USB 协议芯片)供电，但仍然保持低于 0.075 瓦的输入功率。可检测到此情况并进入轻负载模式的 SR 控制器能够帮助制造商满足这些要求。

集成、稳健的方案

选择满足所有这些要求的次级端同步整流器控制器需要仔细考量可用的方案。如前所述，根据应用，适配器设计将针对特定的输出功率进行优化。可提供这种灵活水平的控制器能够用于多种适配器，通过能提供可调节开关时间的控制器就能实现，时间可在设计时设定。

安森美半导体的 NCP4306 旨在为上述所有领域提供同类领先的性能。它提供 30ns 的导通时间和仅 13ns 的关断时间，最大化了同步整流器 MOSFET 的导通时间，同时消除了与初级端开关交叉导通的风险。它在设计上还能够承受高达 200V 的直接感测电压。在 7A 的汇电流下，控制器可轻松驱动小于 10mΩ 的导通电阻 MOSFET，并满足相应的设计要求，使 USB - PD 电源适配器能够在高达 100W 的条件下工作。

NCP4306 在设计上除了用于驱动经过试验和测试的中压 MOSFET 之外，还有一种可用于驱动氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，能够比 MOSFET 更快地开关。该同步整流器控制器可为 GaN 提供稳定的驱动电压(典型值为 5V)，而不会对其门极造成过压，否则可能会导致器件发生故障。这使其适用于在 QR 模式下，甚至有源钳位反激式拓扑结构中工作的超高密度电源适配器。该同步整流控制器的最大工作频率高达 1MHz。与可实现高达 500kHz 的高频 QR 主控制器 NCP1342 一同使用时，可实现峰值能效达到 93.5%且功率密度接近 20W/in3 的 USB - PD 适配器设计。

该器件内部包含用于设置最小导通时间和最小关断时间消隐周期的模块，以对抗由 PCB 布局和其他寄生元件引起的振铃，如上所述，这可能导致无谓的体二极管导通。两个时序参数都可通过外部电阻进行调整，从而为所需的功率输出和选定的功率元件优化设计。轻负载检测(LLD)模块可检测输出负载降低时电源在跳周期模式下工作时的开关脉冲频率降低，并将同步整流器控制器放入禁用模式。该控制器在该状态下消耗的电流非常低(通常为 37mA)，从而使 USB - PD 电源适配器能够符合或绰绰有余地超过 CoC Tier 2 要求。

控制直接感测功能的内部电路显示。一旦连接到开关漏极端 CS 引脚上的电压低于 VTH_CS_ON 阈值，同步整流器 MOSFET M1 就会导通。一旦 CS 引脚上的电压高于 VTH_CS_OFF(通常为 0.5mV)，MOSFET 就会关断。NCP4306 的直接感测模块内还配备了 dV/dt 斜率检测器，以区分闲置状态下的谐振振铃和实际主开关导通的情况。这对于具有不同输出电压和负载曲线的 USB - PD 设计尤为重要，且有助于确保控制器在需要之时可激活 MOSFET。

在可预见的未来，使用 Type - C 连接器通过 USB 供电预计将主导电源适配器的设计，其在许多应用领域的采用已经非常突出，它的多功能性意味着它将成为制造商和消费者的首选方案。

选择正确的 SR 控制器对于设计一个优化的适配器至关重要，这样的适配器不仅符合能效法规，还能满足消费者的严苛要求。NCP4306 代表了新一代 SR 控制器中首款能够提供这个级别的性能和灵活性的产品。