【導(dǎo)讀】針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)需求和最新的USB標(biāo)準(zhǔn)，安森美半導(dǎo)體宣布攜手偉詮電子合作推出全系列USB PD壁式充電器參考設(shè)計(jì)，包括支持USB Type-C接口PD 3.0和高通Qualcomm Quick® Charge 3.0TM Class A快充協(xié)議的45 W USB PD 3.0電源適配器方案。
USB Type-C、USB PD和QC 3.0簡(jiǎn)介
USB Type-C 是新一代通用串行總線連接器、端口和電纜規(guī)范，支持雙向電源和正反逆插，支持更高的充電功率和達(dá)10 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于便攜式設(shè)備。
USB PD全稱(chēng)USB Power Delivery，即USB功率傳輸協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)通信和高達(dá)100 W的功率傳輸，啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)支持5 V@3A，可根據(jù)需要調(diào)至27 W、45 W、60 W、100 W等，并支持額外的功率和電壓選擇。USB PD 3.0是USB-IF組織發(fā)布的最新協(xié)議，旨在一統(tǒng)快速充電技術(shù)規(guī)范的可編程電源（PPS，Programmable Power Supply）。USB PD3.0輸出電壓范圍從5V擴(kuò)展到3 V至21 V，步進(jìn)調(diào)幅電壓為20 mV。
QC 3.0是高通第三代快充技術(shù)，其支持的總線電壓(VBUS) 范圍，Class A為3.6 V至12 V，Class B為3.6 V至20 V。QC 3.0在分立模式下等同于QC 2.0，以0 V、0.6 v、3.3 V三級(jí)邏輯通過(guò)靜態(tài)D+/D- 值選擇VBUS；在連續(xù)模式下，新的QC 3.0以200 mV小步幅增加或降低VBUS，讓便攜式設(shè)備選擇最適合的電壓達(dá)到理想充電效率，更具靈活性，其最大負(fù)載電流限制為3 A，最高功率可達(dá)60 W。高通的快充技術(shù)如今已發(fā)展到第四代即QC4，電壓檔細(xì)分為以20mV為一檔，同時(shí)支持USB PD。
45 W USB PD 3.0電源適配器方案實(shí)現(xiàn)緊湊、高能效的設(shè)計(jì)
安森美半導(dǎo)體和偉詮共同推出的45W USB PD 3.0電源適配器方案涵蓋5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V3A 、20V/2.25A的PD 3.0規(guī)格和3.6 V至12 V/3 A的QC 3.0 Class A規(guī)格，額定輸出功率45 W，平均能效超過(guò)90%，待機(jī)功耗低于30 mW，符合最新的能效標(biāo)準(zhǔn)，且占板尺寸僅57mmx36mmx19mm，功率密度達(dá)1.15W/cm3，此外，該方案還集成全面的保護(hù)機(jī)制，包括自適應(yīng)的輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、電纜壓降補(bǔ)償、開(kāi)環(huán)保護(hù)等，在實(shí)現(xiàn)高能效和高功率密度的同時(shí)確保高可靠性，工程師采用該方案可輕松設(shè)計(jì)出支持PD 3.0或QC 3.0的高能效、高功率密度和高度可靠的電源適配器，用于智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等應(yīng)用。
該設(shè)計(jì)主要采用安森美半導(dǎo)體的初級(jí)端高頻準(zhǔn)諧振反激式PWM控制器NCP1340、次級(jí)端同步整流控制器NCP4306、同步FET NTMFS6B03、開(kāi)關(guān)FET ATP104和偉詮的PD3.0協(xié)議控制器WT6632F/WT6615F。方案框圖如圖1所示。
圖1：45 W USB PD3.0電源適配器方案框圖
準(zhǔn)諧振反激+同步整流的架構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)高功率密度和高能效。在該方案中，安森美半導(dǎo)體的NCP1340采用準(zhǔn)諧振電流模式控制，工作頻率高達(dá)150 KHz，集成X電容放電功能和新一代跳周期模式，谷底鎖定開(kāi)關(guān)運(yùn)行機(jī)制避免因谷底數(shù)不穩(wěn)定所產(chǎn)生的音頻噪聲問(wèn)題，配以同步整流控制器NCP4306，通過(guò)超快關(guān)斷觸發(fā)、極短導(dǎo)通延時(shí)和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力降低整流二極管導(dǎo)通損耗。同步FET NTMFS6B03導(dǎo)通電阻低至4.8 m?，最大限度地降低導(dǎo)通損耗，低門(mén)極電荷和電容最大限度地降低驅(qū)動(dòng)損耗。而輸出FET采用單P溝道ATPAK功率MOSFET ATP104，具備低導(dǎo)通電阻、大電流、纖薄的封裝和4.5 V驅(qū)動(dòng)能力。
偉詮的USB PD控制器WT6632F/WT6615F支持USB PD 3.0規(guī)范和QC 3.0，用于USB Type-C DFP下行端口(源)充電應(yīng)用，通過(guò)集成USB PD基帶物理層、Type-C檢測(cè)、并聯(lián)穩(wěn)壓器、電壓和電流檢測(cè)、負(fù)載開(kāi)關(guān)的MOSFET控制器和8位微處理器，最大限度地減少外部元件數(shù)，實(shí)現(xiàn)小外形和低物料單(BOM)成本，支持3 V至30 V的寬工作電壓范圍，無(wú)需外部LDO，多次可編程的ROM可用于編輯程序代碼及用戶(hù)配置數(shù)據(jù)。
圖2：45 W USB PD3.0電源適配器方案電路原理圖
該方案在230 Vac、滿(mǎn)載條件下的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)約130 KHz。
能效和性能測(cè)試
我們?cè)?0 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 條件下，測(cè)得該方案于5 V輸出(電纜未插入)的待機(jī)功耗都低于27 mW，在評(píng)估板端測(cè)得在115 Vac和230 Vac的條件下，20 V/2.25 A輸出的平均能效超過(guò)90%。
圖3：能效測(cè)試曲線
當(dāng)拔除電纜時(shí)， MOSFET快速關(guān)斷，當(dāng)再次插入電纜、總線電壓Vbus降至5 V時(shí)，MOSFET快速導(dǎo)通。此外，我們?cè)谏鲜鏊袟l件下測(cè)得的紋波和噪聲都低于100 mV， 動(dòng)態(tài)性能出色，散熱性良好。
圖4：熱圖像@20V2.25A
現(xiàn)已被安森美半導(dǎo)體收購(gòu)的Fairchild與偉詮合作推出經(jīng)實(shí)踐證實(shí)的高能效方案仍將提供給客戶(hù)，且配備相應(yīng)的評(píng)估板和使用指南：
支持USB PD 2.0的24 W電源適配器方案，輸出電壓涵蓋5 V、9 V、12 V，采用離線準(zhǔn)諧振PWM控制器FAN602MX、次級(jí)端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6630P
支持USB PD 3.0+PPS的25 W電源適配器方案，輸出電壓涵蓋5 V、9 V，采用離線準(zhǔn)諧振PWM控制器FAN604HMX、次級(jí)端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6615F
支持USB PD 3.0+QC 3.0的65 W電源適配器方案，采用離線準(zhǔn)諧振PWM控制器FAN604HMX、次級(jí)端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6632F/WT6615F。
總結(jié)
USB Type-C接口和USB PD協(xié)議將成為市場(chǎng)的主流。安森美半導(dǎo)體利用在電源半導(dǎo)體領(lǐng)域的專(zhuān)長(zhǎng)和偉詮在USB PD領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，合作推出全系列USB PD壁式充電器參考設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。其中，45 W USB PD3.0電源適配器方案，支持USB Type-C PD 3.0和QC 3.0協(xié)議，工作頻率高達(dá)150KHz，功率密度達(dá)1.15 W/cm3，待機(jī)功耗低于30 mW，完全符合各項(xiàng)能效標(biāo)準(zhǔn)，且具備高達(dá)90%的平均能效，和出色的紋波及動(dòng)態(tài)性能，使設(shè)計(jì)人員能快速設(shè)計(jì)出支持USB PD 3.0和QC 3.0的緊湊和高能效的電源適配器，用于智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等應(yīng)用。此外，該方案還易于擴(kuò)展輸出功率至60 W。
