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[导读]PD指的是利用USB口传输功率的意思,围绕USB PD实际上PI已经推出了多代产品。在充电器把充电速度越做越快的时代下,PI的新品究竟与此前产品有何不同?日前,PI资深培训经理Jason Yan向21ic电子网详细解析了这款新产品。

9月22日,Power Integrations(纳斯达克股票代号POWI,下文简称PI)推出内置USB PD控制器的InnoSwitch3-PD系列反激式开关IC。

PD指的是利用USB口传输功率的意思,围绕USB PD实际上PI已经推出了多代产品。在充电器把充电速度越做越快的时代下,PI的新品究竟与此前产品有何不同?日前,PI资深培训经理JasonYan向21ic电子网详细解析了这款新产品。

与众不同的PD方案,只为更高功率密度

早在2015年PI就推出了InnoSwitch和FluxLink,世界上首次出现在初级和次级之间利用两个线圈耦合来传输次级信息的一个IC。

2017年,PI将InnoSwitch做到了第三代。2019年PI推出InnoSwitch3-Pro,包括I2C接口与外部的微处理器通讯,微处理器进行PD协议接口。同年,针对更大功率输出应用,比如PD功率输出最大可达100W的应用。PI在高输出功率的产品型号中集成了PowiGaN的氮化镓高压开关。

2020年,为了应对市场追求更高功率密度设计的研发趋势,PI推出MinE-CAP。该产品主要可以帮助降低输入大电容的空间和尺寸,有利于在不改变工作频率的情况下能够将电源体积做的进一步缩小。

2021年,PI发布了以有源钳位反激拓扑方式工作的InnoSwitch4-CZ芯片。该芯片与另一款来自PI的ClampZero芯片协同工作,实现有源钳位。有源钳位的主要好处是可以将漏感能量回收,降低初级主功率开关管的开通损耗,进而可将转换效率提高至95%。

PI资深培训经理JasonYan为记者介绍,在USB PD的研发上,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。

既然已经推出了如此众多的可应用于PD的芯片方案,为什么PI还要发布InnoSwitch3-PD呢?Jason告诉记者,该产品可大大简化PD应用方案的BOM元件数,并且是市场上唯一个可以做到单芯片的USB PD解决方案。

目前市场上,要么是功率器件,要么是数字器件,而InnoSwitch3-PD内部既集成有高压功率开关管、电源控制器等执行功率变换的电路,也集成有执行PD协议通讯的微处理器电路,集成后的功率IC直接与外部的Type-C电缆内导线连接。这种独创的将模拟功率变换电路和数字电路集成在一个单芯片的方式,极大地提高了系统集成度,简化了设计。

高度集成方案简化BOM,精准控制输出电压或电流

InnoSwitch3-PD在初级侧集成了初级功率开关和控制器,对于较高功率输出的应用,可以采用集成氮化镓开关的IC型号。延续了旧有InnoSwtich3系列IC的多模式QR(准谐振)和CCM(连续导通)的工作方式,保证电源一致的高效性能。值得一提的是,InnoSwitch3-PD的一个控制器同时控制初级侧和次级侧两个功率开关,保证时序不会出现同步整流开关同时开通的情况,有利于在CCM工作方式下工作。

为了提升电源效率,市场上在次级侧普遍采用同步整流技术,以降低传统的使用二极管整流的损耗。这款InnoSwitch3-PD IC同样提供了次级同步整流驱动功能。Jason强调,采用一个控制器控制两个功率开关,可将两个开关管时序中的死区时间做的尽量的短,进而增大同步整流管的导通时间,最大程度的提升效率。再者,一个控制器也极大地提高了可靠性,保证在CCM工作方式下两个开关管不会出现同时开通的情况。如果采用不同的控制器分别控制两个功率开关,则不得不将死区时间做大。否则,在某些恶劣的工作情况下,比如ESD,则会造成开关管误开通,对电源可靠性造成影响。

为了应对PD应用的特殊要求,即在没有负载连接适配器时,适配器输出端不得有电压存在。在输出直流母线上往往会串联一个母线负载开关。InnoSwitch3-PD IC内部集成了N通道的MOSFET负载开关驱动,以满足上述要求。此外,产品还提供了VBUS放电功能,当负载拔掉时,输出端会经过IC的引脚进行泄放,保证输出端始终拥有安全电压。

值得一提的是,InnoSwitch3-PD集成了USB-C和PD控制器,可对负载类型进行检测,以判断负载的类型是有源负载还是无源负载。同样,E-marker电缆的检测功能可以用来判断所连接电缆的带载能力。对于具有IC的电子标识电缆的检测,InnoSwitch3-PD还在CC1或CC2线上提供VCONN供电电压,以判断标识IC的存在,进而了解输出电缆的最大承载电流是否大于3A。利用CC1或CC2与负载进行的通讯可对输出进行精确的电压电流设定,完成PPS(可编程电源)的PD应用需求。

CC1和CC2用于与负载的协议沟通,InnoSwitch3-PD本身的CC1和CC2引脚耐压达28V,完全适应PD应用最高输出电压20V的应用情况,且该引脚具有OVP保护特性。

InnoSwitch3-PD的另一个特点是具有一个温度检测引脚。其外部可连接一个温敏电阻,来监测系统中不同的发热点。甚至可以用来监测经常插拔的Type-C连接器的触点温度。当温度过高时,可以在软件中设定响应方式,当过温故障发生时对系统加以保护。

“与InnoSwitch3和InnoSwitch3-Pro不同,以前的反激电源中会有一个电压采样和FB引脚。InnoSwitch3-PD的输出电压直接通过Vout引脚进入控制器”,Jason强调,InnoSwitch3-PD的其中一个好处便是,可以根据负载的需求,来设定输出电压或者电流,其输出电压范围可以精确控制在3-24V,且每个档位压差在10mV。另外,电流可在最大输出数值的20%-100%之间可调,电流可以调整的档位为最大输出数值的0.8%。

USB PD标准要求每个档位的可调压差在20mV,而PI做到了10mV,做到如此精准控制的意义何在?Jason表示,手机内部Buck电源管理IC由于电池充电的需要,必须根据需求对其输出电压进行调整,因此AC/DC后需要DC/DC进行电压的控制,AC/DC和DC/DC间不仅会产生损耗,还会引发电源管理IC的发热发烫。而采用InnoSwitch3-PD则可直接在PD适配器的输出端直接输出所需的电池充电电压,省却手机内部的DC/DC,降低手机的功耗、温升,提升充电效率。而这种精确的输出电压电流可调特性,真正实现了所谓的“按需供电”。

卓越的功率变换能力,唯一的单芯片USBPD方案

相比市场的多芯片USB PD解决方案,PI的方案在整体BOM元件数上可大大降低。尽管采用PI的InnoSwitch4-CZ/ClampZero外加USB协议接口IC可以将总元件数能够降低到79个。但如果使用最新的InnoSwitch3-PD方案,则可以将元件数进一步降低到60个。这相比市场上的3芯片或4芯片解决方案几乎降低了一半。在较少元器件的加持下,电源的功率密度可以做得更大,结构也更简单,电源的可靠性也会更高。

“这是市场上唯一个可以做到单芯片的解决方案,同时做到了初级开关控制、同步整流驱动、PD协议的控制”,Jason如是说。

采用了InnoSwitch3-PD后,多种设计均可从中受益。比如仅用44个元件的双PCB板的20W小魔方充电器设计、使用InnoSwitch3-PD和MinE-CAP的超薄50W充电器设计、以及采用53个元件的65W小魔方充电器设计。这些设计无不提现了InnoSwitch3-PD高集成度的方案优势。

InnoSwitch3-PD延续了InnoSwitch3产品系列高效的优势,拥有卓越的功率变换能力,其效率最高可达95%,空载功耗低至14mW。输出功率可达100W,且无需散热片。可靠耐用,长使用寿命,拥有完善的保护特性,且为高功率提供PowiGaN选项、为低功率提供硅开关选项。

封装上,采用与InnoSwitch3相同的符合安规的宽爬电距离InSOP-24D封装(MSL 3),相对于旧有的InnoSwitch3产品,次级侧新增了CC1、CC2通信引脚和NTC热敏电阻监测连接引脚。

InnoSwitch3-PD拥有适合于快充应用的各种主要特性,支持USB PD 3.0+PPS和QC4协议,内部搭载一次性可编程(OTP)存储器。内部集成可简化设计的Type-C控制器,符合USB Type-CRev. 1.3标准。所有的USB PD和PPS功能均可在IC内部完成,省去了协议软件和接口电路的开发时间和成本。

InnoSwitch3-PD最大功率能够达到100W的输出,在最大的三个器件中使用了PowiGaN的氮化镓开关,在较小的三个器件中使用了旧有的硅开关。

如果客户的PD应用没有特殊的应用需求,则可采用PI提供的标准的InnoSwitch3-PD元件型号,其根据不同输出功率应用范围,已经固化了协议软件在IC内部。适合不同的PDO或APDO输出特性需求。

针对InnoSwitch3-PD,PI还推出了两个参考设计,其一是45W USB PD 3.0 + PPS的DER-837,其二是60W USB PD 3.0 + PPS的RDR-838。

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