如何設計小型USB-C PD和PPS適配器

對于產品設計工程師來說，如何提升產品競爭力是他們面對的核心挑戰。充電器和適配器要越做越小；能夠為智能手機、平板電腦、筆記本電腦和其他便攜式設備提供完整的USB-C功率傳輸(PD)、數字控制電源(PPS)功能；充電時間要越來越短。眾所周知，設計更小巧的充電器和適配器的關鍵在于減少元件數量和最大限度地提高效率：但說起來容易，實現起來卻有難度。  

在新的USB協議下，僅僅提供具有低功耗的緊湊高效的功率變換方案是不夠的。新的USB電源協議要求在受電設備和電源之間進行精確的雙向通信。USB PD使負載和電源能夠設置多個功率和電壓擋位，功率高達100W（現在甚至提出了更高的功率）。PPS初衷是為了適應電池技術的不斷升級，同時前瞻性地允許充電中途調整輸出參數。PPS支持輸出以20mV或50mA微調。

為了實現先進的USB電源協議，除了反激式控制器外，設計工程師還需要使用專用的USB控制器或微控制器。這兩個IC之間還需要低時延通信，確保整個解決方案符合USB協議。

化解難題

為了化解這些難題，設計工程師現在可以考慮選用內置USB PD控制器的高度集成的反激式開關IC產品系列。Power Integrations的InnoSwitch?3-PD系列IC是適合于USB Type-C、PD和PPS適配器的集成度極高的解決方案，除了初級功率開關和多模態準諧振反激控制器外，同時還集成了USB-C和PD控制器（圖1），以及初級側檢測電路、FluxLink?隔離數字控制和同步整流驅動器。根據具體的參數規格，設計工程師可以選擇高壓硅MOSFET或PowiGaN?功率開關。

圖1 InnoSwitch3-PD可縮減物料清單(BOM)并簡化USB-C PD和PPS適配器的設計

基于InnoSwitch3-PD IC的設計符合所有全球能效法規，其空載功耗低至14mW。這些設計效率高損耗少，無需使用尺寸大且成本高的散熱片，有助于減小設計方案的外形尺寸并降低成本。Power Integrations的FluxLink高速通信反饋鏈路支持快速、精確的次級側調整。輸入及輸出電壓監測可實現精確的電壓緩升、跌落和輸入過壓保護，以及具有可對故障響應單獨設定的輸出過壓和欠壓故障檢測。InSOP?-24D封裝非常緊湊，尺寸僅為10.8mmx9.4mmx1.6mm。InnoSwitch3-PD產品系列包括三款內部集成650V硅MOSFET的IC和三款內部集成750V PowiGaN?氮化鎵功率開關的IC（見表1）。

表1 InnoSwitch3-PD控制器適用于各種USB-C PD+PPD適配器功率水平和輸入電壓范圍，共包括三款內部集成650V硅MOSFET的IC和三款內部集成750V PowiGaN氮化鎵功率開關的IC

借助現成小型化方案，加快上市速度

為了快速啟動小型化USB-C PD+PPS適配器和充電器的開發，并加快上市速度，設計工程師可以從涵蓋30W、45W和60W應用的多種參考設計中進行選擇。以下每個設計都采用了內部集成750V PowiGaN開關的IC；硅版開關的參考設計也有提供。它們都支持90至265VAC的輸入電壓范圍，并滿足DOE6和CoC v5 2016平均效率要求以及CISPR22/EN55022 Class B傳導EMI限制。

DER-836：30W USB PD 3.0電源

該設計范例（圖2）使用InnoSwitch3-PD INN3878C器件。這款適配器的尺寸為1.73” (44mm)×1.73” (44mm)×0.817” (21mm)，功率密度為12.27W/in3（不含外殼）。該設計在230VAC下的空載輸入功率<18mW。它只使用59個元件，有助于提高功率密度。支持以下USB PD/PPS輸出性能：

●   PDO1：5V/3A（固定供電）

●   PDO2：9V/3A（固定供電）

●   PDO3：12V/2.5A（固定供電）

●   PDO4：15V/2.0A（固定供電）

●   PDO5：20V/1.5A（固定供電）

●   PDO6：3.3V–11V/3A（數字控制電源，30W限定功率）

●   PDO7：3.3V–16V/2A（數字控制電源）

圖2 參考設計DER-836僅使用59個元件，可提供30W輸出功率

DER-837：45W USB PD 3.0電源

該設計范例（圖3）使用InnoSwitch3-PD INN3879C器件。它僅需54個元件，可提供14.0W/in3的功率密度，其尺寸為1.89” (48mm)×1.81” (46mm)×0.94” (23.8mm)（不含外殼）。支持以下USB PD/PPS輸出性能：

●   PDO1：5V/5A（固定供電）

●   PDO2：9V/5A（固定供電）

●   PDO3：15V/3A（固定供電）

●   PDO4：20V/2.25A（固定供電）

●   PDO5：3.3V–11V/5A（數字控制電源，45W限定功率）

●   PDO6：3.3V–16V/3A（數字控制電源）

●   PDO7：3.3V–21V/2.25A（數字控制電源）

圖3 參考設計DER-837僅使用54個元件，可提供45W輸出功率

RDR-838：60W USB PD 3.0電源

該參考設計（圖4）有61個元件，尺寸為2.24" (57mm)×2.24" (57mm)×0.76" (19.2mm)，功率密度為15.7W/in3（不含外殼）。該設計采用INN3879C集成控制器，具有較少的USB PD/PPS輸出性能：

●   PDO1：5V/3A（固定供電）

●   PDO2：9V/3A（固定供電）

●   PDO3：15V/3A（固定供電）

●   PDO4：20V/3A（固定供電）

●   PDO5：3.3V–21V/3A（數字控制電源）

圖4 參考設計RDR-838僅使用61個元件，可提供60W輸出功率

總結

借助創新的InnoSwitch3-PD系列高度集成的反激式開關IC，設計工程師就會擁有一套新工具，可快速開發出高效且元件數量非常少的充電器和適配器，并且它們還具備完整的USB-C PD+PPS功能。這些功能完善的IC包括同時選擇硅或PowiGaN集成功率開關版本。它們在輸入和輸出端受到全面保護，可實現具有傳統設計所需元件一半的解決方案，同時仍提供低至14mW的空載功耗。它們采用超薄的InSOP-24D封裝，適合高功率密度USB-C電源解決方案的批量生產。