|
USB標準在不斷演進，能效法規也在日趨嚴格。領先的電源半導體供應商安森美半導體利用在電源半導體領域的專長和偉詮在USB PD領域的領先技術，推出一系列高能效、高密度的USB PD電源適配器，滿足市場需求，符合并超越能效標準，如最近的65 W 超高密度USB PD適配器方案，支持USB Type-C接口PD 3.0和高通Qualcomm Quick® Charge 3.0TM Class A快充協議，最新的90 W 高密度USB PD適配器方案支持USB Type-C接口PD 3.0、QC4.0和PPS協議，采用有源鉗位反激(ACF) 拓撲，使用行業標準的超結FET，功率密度分別為30 W/in^3和20.8 W/in^3，峰值能效分別超過94%和92%。 USB PD、QC 3.0和QC 4.0簡介 USB PD全稱USB Power Delivery，即USB功率傳輸協議，支持同時進行數據通信和高達100 W的電力傳輸。 QC 3.0是高通第三代快充技術，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。高通的快充技術如今已發展到第四代即QC4.0，同時支持USB PD。 先進的控制器和驅動器提供高能效、緊湊的ACF USB PD適配器方案 安森美半導體的65 W和90 W ACF USB PD適配器方案是現代電源適配器和電池充電器設計的重大進步。使用在65 W ACF USB PD 適配器中的核心芯片NCP1568 和NCP51530還獲《今日電子》(EPC)與21IC中國電子網 (21ic.com)評選為2018年度Top 10電源產品獎，這是電子業備受認同的確定創新/高品質產品的一個基準。 
圖1：緊湊的ACF USB PD適配器方案(65 W：左一、二；90 W：右) 這兩款ACF USB PD適配器方案都涵蓋5V 到 20V的PD 3.0規格和3.6 V至12 V/3 A的QC 3.0 Class A規格，用于需要兼容USB-PD或高通Quick Charge™規格的筆記本電腦、平板電腦和其他便攜式設備。其中65 W ACF USB PD適配器方案集成安森美半導體的ACF控制器NCP1568、高速半橋驅動器NCP51530、同步整流控制器NCP4305、偉詮的WT6615F PD控制器，采用行業標準的超級結(SJ) FET，占板尺寸僅1.66” x 1.78” x 0.70”，功率密度達30 W/in^3；90 W ACF USB PD適配器方案集成安森美半導體的功率因數校正(PFC)控制器NCP1622、ACF控制器NCP1568、高速半橋驅動器NCP51530、同步整流控制器NCP4306、偉詮的WT6615F PD控制器，采用行業標準的 SJ FET，占板尺寸僅2.48” x 2.48” x 0.82”，功率密度達20.8 W/in^3。 90 W ACF USB PD適配器方案中還采用升壓跟隨電路，提升PFC控制性能，并能提升低工作電壓效率。
圖2：90 W USB PD電源適配器方案框圖
圖3：NCP1568、NCP51530、WT6615F示意圖 NCP1568是一款高度集成的AC-DC脈寬調制（PWM）控制器，采用ACF拓撲結構，包含零電壓開關（ZVS），用于要求高功率密度和高能效的高頻應用（高達1 MHz）。它能夠無縫過渡到非連續導電模式（DCM），提高輕載條件下的能效，使待機功耗低于30毫瓦（mW），符合全球能效監管標準。自適應ZVS頻率調制提供可變輸出電壓，優化USB-PD和快速充電的實施。可使用經驗證的超結FET或高性能氮化鎵（GaN）FET的ACF拓撲結構，外部器件更少，實現更高密度設計。NCP1568采用小型TSSOP-16封裝，具有多重保護功能。靜音跳躍功能消除工作時的可聞噪聲，這是室內電源適配器應用的一個基本需求。 NCP51530是700伏（V）高頻率、高邊與低邊驅動器，可直接驅動高性能電源應用中的兩個N溝道功率MOSFET。其特點是快速的動態響應，30納秒（ns）的傳播延遲適合高頻工作，而5 ns的傳播延遲匹配確保領先市場的能效性能。NCP51530提供非常強固的方案，不易受dv/dt（高達50 V/ns）和負瞬態的影響。 偉詮的USB PD控制器WT6615F支持USB PD 3.0規范和QC 3.0，用于USB Type-C DFP下行端口(源)充電應用，通過集成USB PD基帶物理層、Type-C檢測、并聯穩壓器、電壓和電流檢測、負載開關的MOSFET控制器和8位微處理器，最大限度地減少外部元件數，實現小外形和低物料單(BOM)成本，支持3 V至30 V的寬工作電壓范圍，無需外部LDO，多次可編程的ROM可用于編輯程序代碼及用戶配置數據。 兩款方案都集成全面的保護特性，包括自適應輸出過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、電纜壓降補償、ACF開環保護等，在實現高能效和高功率密度的同時確保高可靠性。 能效和性能測試 根據最新的COC V5 Tier 2標準，待機功耗、平均能效和10%負載能效需達到以下規格。
經測試，65 W和 90 W ACF USB PD適配器方案峰值能效分別超過94%和92%，平均能效和10%負載能效也都符合并超越COC V5 Tier2標準，且紋波小，動態性能佳。以90 W方案為例，能效測試曲線如下：
圖4：輸出為5 V時(電纜未插入)的 待機功耗低于75 mW
圖5：平均能效符合COC Tier2標準 在115 Vac和230 Vac的測試條件下，輸出20 V時，測得90 W ACF USB PD方案的滿載能效超過92%。在230 Vac的測試條件下，輸出5 V、0.5 A時的紋波低于100 mV。 總結 安森美半導體和偉詮電子合作推出的65 W和90 W ACF USB PD電源適配器方案采用ACF拓撲，高能效、低待機功耗，符合并超越COC V5 Tier2能效標準，使用行業標準的超級結FET，且工作的高頻率大幅縮減元件尺寸，實現高功率密度，全面的保護特性確保高可靠性和高強固性，紋波和動態性能極佳，使設計人員能快速開發出支持USB-PD和高通Quick Charge™規格的緊湊的、高能效電源適配器。 |
