如何利用设计工具实现USB-C电源解决方案的设计

对于产品设计工程师来说，如何提升产品竞争力是他们面对的核心挑战。充电器和适配器要越做越小；能够为智能手机、平板电脑、笔记本电脑和其他便携式设备提供完整的USB-C功率传输(PD)、数字控制电源(PPS)功能；充电时间要越来越短。众所周知，设计更小巧的充电器和适配器的关键在于减少元件数量和最大限度地提高效率：但说起来容易，实现起来却有难度。

在新的USB协议下，仅仅提供具有低功耗的紧凑高效的功率变换方案是不够的。新的USB电源协议要求在受电设备和电源之间进行精确的双向通信。USB PD使负载和电源能够设置多个功率和电压挡位，功率高达100W（现在甚至提出了更高的功率）。PPS初衷是为了适应电池技术的不断升级，同时前瞻性地允许充电中途调整输出参数。PPS支持输出以20mV或50mA微调。

为了实现先进的USB电源协议，除了反激式控制器外，设计工程师还需要使用专用的USB控制器或微控制器。这两个IC之间还需要低时延通信，确保整个解决方案符合USB协议。

为了化解这些难题，设计工程师现在可以考虑选用内置USB PD控制器的高度集成的反激式开关IC产品系列。Power Integrations的InnoSwitch3-PD系列IC是适合于USB Type-C、PD和PPS适配器的集成度极高的解决方案，除了初级功率开关和多模态准谐振反激控制器外，同时还集成了USB-C和PD控制器（图1），以及初级侧检测电路、FluxLink隔离数字控制和同步整流驱动器。根据具体的参数规格，设计工程师可以选择高压硅MOSFET或PowiGaN功率开关。

图1：InnoSwitch3-PD可缩减物料清单(BOM)并简化USB-C PD和PPS适配器的设计

基于InnoSwitch3-PD IC的设计符合所有全球能效法规，其空载功耗低至14mW。这些设计效率高损耗少，无需使用尺寸大且成本高的散热片，有助于减小设计方案的外形尺寸并降低成本。Power Integrations的FluxLink高速通信反馈链路支持快速、精确的次级侧调整。输入及输出电压监测可实现精确的电压缓升、跌落和输入过压保护，以及具有可对故障响应单独设定的输出过压和欠压故障检测。InSOP-24D封装非常紧凑，尺寸仅为10.8mmx9.4mmx1.6mm。InnoSwitch3-PD产品系列包括三款内部集成650V硅MOSFET的IC和三款内部集成750V PowiGaN氮化镓功率开关的IC（见表1）。

表1：InnoSwitch3-PD控制器适用于各种USB-C PD+PPD适配器功率水平和输入电压范围，共包括三款内部集成650V硅MOSFET的IC和三款内部集成750V PowiGaN氮化镓功率开关的IC

为了快速启动小型化USB-C PD+PPS适配器和充电器的开发，并加快上市速度，设计工程师可以从涵盖30W、45W和60W应用的多种参考设计中进行选择。以下每个设计都采用了内部集成750V PowiGaN开关的IC；硅版开关的参考设计也有提供。它们都支持90至265VAC的输入电压范围，并满足DOE6和CoC v5 2016平均效率要求以及CISPR22/EN55022 Class B传导EMI限制。

DER-836：30W USB PD 3.0电源

该设计范例（图2）使用InnoSwitch3-PD INN3878C器件。这款适配器的尺寸为1.73” (44mm)×1.73” (44mm)×0.817” (21mm)，功率密度为12.27W/in3（不含外壳）。该设计在230VAC下的空载输入功率<18mW。它只使用59个元件，有助于提高功率密度。支持以下USB PD/PPS输出性能：

· PDO1：5V/3A（固定供电）

· PDO2：9V/3A（固定供电）

· PDO3：12V/2.5A（固定供电）

· PDO4：15V/2.0A（固定供电）

· PDO5：20V/1.5A（固定供电）

· PDO6：3.3V–11V/3A（数字控制电源，30W限定功率）

· PDO7：3.3V–16V/2A（数字控制电源）‍

图2：参考设计DER-836仅使用59个元件，可提供30W输出功率

DER-837：45W USB PD 3.0电源

该设计范例（图3）使用InnoSwitch3-PD INN3879C器件。它仅需54个元件，可提供14.0W/in3的功率密度，其尺寸为1.89” (48mm)×1.81” (46mm)×0.94” (23.8mm)（不含外壳）。支持以下USB PD/PPS输出性能：

· PDO1：5V/5A（固定供电）

· PDO2：9V/5A（固定供电）

· PDO3：15V/3A（固定供电）

· PDO4：20V/2.25A（固定供电）

· PDO5：3.3V–11V/5A（数字控制电源，45W限定功率）

· PDO6：3.3V–16V/3A（数字控制电源）

· PDO7：3.3V–21V/2.25A（数字控制电源）‍

图3：参考设计DER-837仅使用54个元件，可提供45W输出功率

RDR-838：60W USB PD 3.0电源

该参考设计（图4）有61个元件，尺寸为2.24" (57mm)×2.24" (57mm)×0.76" (19.2mm)，功率密度为15.7W/in3（不含外壳）。该设计采用INN3879C集成控制器，具有较少的USB PD/PPS输出性能：

· PDO1：5V/3A（固定供电）

· PDO2：9V/3A（固定供电）

· PDO3：15V/3A（固定供电）

· PDO4：20V/3A（固定供电）

· PDO5：3.3V–21V/3A（数字控制电源）‍

图4：参考设计RDR-838仅使用61个元件，可提供60W输出功率

总结

借助创新的InnoSwitch3-PD系列高度集成的反激式开关IC，设计工程师就会拥有一套新工具，可快速开发出高效且元件数量非常少的充电器和适配器，并且它们还具备完整的USB-C PD+PPS功能。这些功能完善的IC包括同时选择硅或PowiGaN集成功率开关版本。它们在输入和输出端受到全面保护，可实现具有传统设计所需元件一半的解决方案，同时仍提供低至14mW的空载功耗。它们采用超薄的InSOP-24D封装，适合高功率密度USB-C电源解决方案的批量生产。

审核编辑：郭婷