使用高效且可扩展的多端口充电器和适配器满足您的充电需求
日期：2023-05-16
一个采用单级PFC的100 W双端口适配器，使用了EZ-PD™ PAG1x电源适配器和EZ-PD™ CCG7xC USB-C PD和DC-DC控制器
作者：英飞凌科技应用工程总监Milind Dighrasker、应用工程高级经理Gautam Iyer和首席工程师Ramesh Kankanala
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图1. 多端口适配器的高级框图
然而，这些对更高功率和多端口的新要求对迄今为止使用的转换器拓扑结构提出了挑战。为确保充电器和适配器既有效又高效，需要考虑到几个因素，例如电磁兼容性、功率因数修正、待机功率和平均效率。对于设计工程师和最终用户来说，尺寸（以及由此而来的功率密度）、负载共享和扩展多个端口也成为了更关键的因素。USB-C充电器和适配器的功率效率在决定其功率密度方面起着至关重要的作用。因此，在根据您的需求选择合适的适配器架构时，转换器拓扑结构、使用模型、集成和控制器功能的灵活性都是需要考虑的关键因素。
多端口适配器的典型框图如图1所示。前端AC-DC转换器负责产生所需的输出电压，同时确保前端的功率因数校正（PFC）高达100W的功率。另一方面，降压转换器（连接在AC-DC转换器的输出端）确保满足多端口适配器应用中定义的USB-C PD规范和性能。
英飞凌为两部分适配器（即AC-DC和降压转换器）提供了全面的解决方案。具体而言，对于AC-DC转换，Infineon 的 EZ-PD™ PAG1x 解决方案提供了单级 PFC 设计搭配使用降压转换器的EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC，确保USB PD/PPS的标准兼容。EZ-PD™ CCG7SC旨在支持单个USB PD/PPS端口，具有集成降压控制器和閘极驱动器，可轻松扩展到多端口输出。此外，EZ-PD™ CCG7DC支持双电力传输（PD）/可编程电源（PPS）端口，能够通过集成驱动器控制两个降压控制器，这使其成为双端口或多端口（2的倍数）应用的理想选择。
在以下部分中，我们将探讨英飞凌的电源适配器设计解决方案，它符合电源适配器欧洲标准EN61000-3-2。我们将深入研究传统100W双端口充电器的架构，并将其与英飞凌的新解决方案进行比较，研究每种充电器的优缺点。此外，我们将讨论专为多端口消费者充电应用而设计的英飞凌EZ-PD™ CCG7SC和CCG7DC PD及降压-升压控制器的具体功能。最后，我们将分析英飞凌解决方案的性能及其与USB-C PD和PPS规范的兼容性。
英飞凌在EZ-PD™ PAG1x基础上开发的单级100W PFC设计满足这些要求。这种设计在物料清单（BOM）数量和尺寸方面比传统设计具有显著优势，降低了总体成本，使其更加紧凑。
与传统架构的比较
传统100W双端口充电器的架构如图2所示。充电器采用三级架构，第一级是一个主动PFC转换器，然后是高压大容量DC电容器。PFC转换器由脉宽调制（PWM）控制器IC控制。
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图2. 100W双端口充电器的典型架构
该架构中的第二级是DC-DC转换器，通常是反激式控制器IC，除了二次侧反馈和补偿网络之外，还需要一次侧控制器。或者，可以使用具有一次侧控制器的二次侧控制器IC。
第三级由连接到反激式转换器的输出的两个降压转换器组成。降压转换器由控制器IC控制，控制器IC还执行PD/PPS控制器功能。
然而，由于有三个功率转换级，该架构的一个主要缺点是物料清单（BOM）数量较高。此外，针对100VAC到265VAC的通用输入范围，在PFC级的输出处的DC大容量电容器通常额定为450V，这增加了BOM数量并增加了设计的占位面积。
英飞凌的EZ-PD™ PAG1x实现了单级PFC架构，无需额外的PFC转换器。EZ-PD™ PAG1x是一种采用EZ-PD™ PAG1P和EZ-PD™ PAG1S的双芯片解决方案，采用二次侧控制的准谐振（QR）反激拓扑。EZ-PD™ PAG1P是用于AC-DC应用的一次侧启动控制器，提供启动功能，驱动一次側的FET，并对错误条件做出响应。它适用与二次侧控制的AC-DC反激式变换器拓扑中与EZ-PD™ PAG1S一起工作。在这种拓扑结构中，EZ-PD™ PAG1S是一个集成了PFC控制器、同步整流（SR）驱动器和各种保护电路的单芯片二次侧控制器，可执行电压和电流调节。基于这些特性，EZ-PD™ PAG1x提供了一种新颖的PFC、DC-DC和SR控制器功能，解决了单级PFC设计的关键挑战（见图3）。
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图3. 采用EZ-PD™ PAG1x的100 W双端口适配器架构
在该架构中，DC大容量电容器位于反激式转换器的输出端，需要选择额定电压为25伏特的电容器，以满足PD协议最大电压20伏特的需求。使用基于EZ-PD™ PAG1x的解决方案显著降低了BOM数，特别是对于PFC FET、PFC功率电感器、功率二极管、PFC操作的PWM控制器IC和其他被动组件，包括电流感测电阻。通过通信线路，基于PFC的反激式转换器为降压和PD控制器（如EZ-PD™ CCG7xC）生成所需的输出电压。PD控制部分将在以下章节中进行更详细的描述。与传统设计相比，使用英飞凌基于EZ-PD™ PAG1X的单级PFC将组件数量减少了近80个，包括主动和被动组件。
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图4. 基于EZ-PD™ PAG1x的单级PFC设计原理图
图5显示了英飞凌针对100W PFC转换器解决方案的电路板设计。
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图5. 基于EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7DC的100W双端口适配器
图6所示的波形说明了100W PFC转换器的输入电压和电流特性。该解决方案在100W负载的整个输入电压范围内实现了超过0.9的功率因数，而在115VAC的输入电压和100W负载下实现了超过0.98的功率因数。
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图6. 通道一显示输入电压（黄色轨迹），通道二显示输入电流（品红色轨迹）
这些控制器允许PPS源的最大输出电压为21V，并且将前端AC-DC转换器输出电压固定为大于21V，使之能够使用降压DC-DC转换器来传送SPR定义的电压。然而，当所需的合同电压低于超过21V的固定AC-DC转换器输出电压时，可能存在效率损失。
这种效率下降的挑战可以通过在前端AC-DC转换器控制器（如英飞凌的EZ-PD™ PAG1S，以及通过USB Type-C连接器提供电源的DC-DC转换器）之间实现模拟或数字通信来有效解决。通过这种通信，控制器可以根据PD合同产生所需的电源电压（范围从3.3 V到21.0 V），从而显著提高效率（图7）。
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图7. 降压转换器和前端AC-DC转换器之间的模拟和数字通信
基于EZ-PD™ CCG7SC的降压转换器的电路板设计如图8所示。它包括容纳用于三端口适配器解决方案的三个EZ-PD™ CCG7SC控制器和降压转换器的主板。
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图8. DC-DC降压和PD控制器解决方案板
图9显示了在使用和不使用数字通信调节5V输出的情况下，降压转换器所获得的效率水平之间的比较。结果表明，5V PD合同电压的效率有所提高，在轻负载条件下潜在增益超过5%，而在满载条件下，效率增益仍然显著，最高可达2%。数字通信的实现允许对输出进行精简的调节，从而提高效率水平，从而显著提高多端口适配器的性能和整体有效性。
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图9. 5 V输出的DC-DC（降压）转换器效率比较——前端AC-DC转换器和DC-DC转换器之间有反馈通信提供了优化的效率（Vin = 6 V），无反馈通信（Vin = 22 V）
除了上述功能外，EZ-PD™ CCG7SC和CCG7DC还提供了创新的旁路功能，以实现更高的效率。旁路功能适用于在设备连接并请求固定输出电压（PDO）时运行，如5V、9V、15V或20V，符合USB PD标准。在这种情况下，前端AC-DC转换器输出电压将通过与降压转换器并联的MOSFET直接传递给USB-C连接器。通过有效地绕过降压转换器，该技术实现了直接和流畅的功率传输。
表1设备与典型功率水平
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USB-C充电器和适配器的功率效率在决定其功率密度方面起着至关重要的作用。此外，在为您的设计选择合适的适配器架构时，转换器拓扑结构、使用模型、集成和控制器功能的灵活性是需要考虑的关键因素。
在这篇文章中，英飞凌展示了其针对高度集成的100W多端口适配器的全面解决方案，它采用基于EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC技术的单级PFC设计。单级PFC架构在材料清单（BOM）数量和尺寸方面比传统设计具有显著优势，降低了总体成本，使其更加紧凑。同时，它符合电源适配器的欧洲标准EN61000-3-2，并确保与最新的USB PD/PPS标准兼容。
EZ-PD™ PAG1x具有一个反激式二次侧控制器、一个PFC控制器和一个PD控制器。EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC为多端口功能提供降压和PD控制器。通过调节反激式转换器的输出，EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC之间的通信能够提高不同PD合同电压的效率。这两个IC都是高度可配置的，为满足特定客户需求的定制设计提供了极大的灵活性。
所展示的设计为100W和2/3端口提供了可靠且具有成本效益的解决方案；它也可以用于更高功率和多端口解决方案。
探索英飞凌针对高度集成USB-C PD适配器的全面解决方案的功能。请访问我们的网页，了解更多关于我们高度可配置和灵活的IC的信息，并了解如何使用我们的技术优化您的产品。
2023年5月9日至11日：参观纽伦堡的PCIM Europe
我们邀请您在我们的USB-C适配器和充电器演示站观看英飞凌关于宽带隙技术和硅功率半导体最新趋势的演示。通过我们的新产品演示、现场技术讲座或与专家进行单独对话，了解我们的解决方案如何应对当今绿色和数字化转型的挑战。在纽伦堡展览中心（7号展厅，412号展位）与我们见面。
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作者：英飞凌科技应用工程总监Milind Dighrasker、应用工程高级经理Gautam Iyer和首席工程师Ramesh Kankanala
引言
随着智能手机、平板电脑和笔记本电脑等便携式电子设备已成为我们生活中不可或缺的一部分，对更快充电的需求也在急剧增长。电力传输（PD）旨在通过USB Type-C（USB-C）电缆提供尽可能快的充电。USB-PD标准功率范围（SPR）标准 [1]定义了通过USB-C电缆传输的最大功率最高可达100 W。这允许在通用AC-DC适配器上提供多个USB-C端口（图1），这些适配器可以为各种设备充电，从智能手机到游戏笔记本电脑、电动工具，甚至电动自行车。图1. 多端口适配器的高级框图
然而，这些对更高功率和多端口的新要求对迄今为止使用的转换器拓扑结构提出了挑战。为确保充电器和适配器既有效又高效，需要考虑到几个因素，例如电磁兼容性、功率因数修正、待机功率和平均效率。对于设计工程师和最终用户来说，尺寸（以及由此而来的功率密度）、负载共享和扩展多个端口也成为了更关键的因素。USB-C充电器和适配器的功率效率在决定其功率密度方面起着至关重要的作用。因此，在根据您的需求选择合适的适配器架构时，转换器拓扑结构、使用模型、集成和控制器功能的灵活性都是需要考虑的关键因素。
多端口适配器的典型框图如图1所示。前端AC-DC转换器负责产生所需的输出电压，同时确保前端的功率因数校正（PFC）高达100W的功率。另一方面，降压转换器（连接在AC-DC转换器的输出端）确保满足多端口适配器应用中定义的USB-C PD规范和性能。
英飞凌为两部分适配器（即AC-DC和降压转换器）提供了全面的解决方案。具体而言，对于AC-DC转换，Infineon 的 EZ-PD™ PAG1x 解决方案提供了单级 PFC 设计搭配使用降压转换器的EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC，确保USB PD/PPS的标准兼容。EZ-PD™ CCG7SC旨在支持单个USB PD/PPS端口，具有集成降压控制器和閘极驱动器，可轻松扩展到多端口输出。此外，EZ-PD™ CCG7DC支持双电力传输（PD）/可编程电源（PPS）端口，能够通过集成驱动器控制两个降压控制器，这使其成为双端口或多端口（2的倍数）应用的理想选择。
在以下部分中，我们将探讨英飞凌的电源适配器设计解决方案，它符合电源适配器欧洲标准EN61000-3-2。我们将深入研究传统100W双端口充电器的架构，并将其与英飞凌的新解决方案进行比较，研究每种充电器的优缺点。此外，我们将讨论专为多端口消费者充电应用而设计的英飞凌EZ-PD™ CCG7SC和CCG7DC PD及降压-升压控制器的具体功能。最后，我们将分析英飞凌解决方案的性能及其与USB-C PD和PPS规范的兼容性。
高效紧凑的带PFC的AC-DC转换器：英飞凌的单级100W设计
欧洲标准EN61000-3-2规定，任何具有通用输入、在给定时刻提供超过75W功率的电源适配器都需要有PFC级。PFC级通过减少谐波含量和提高功率因数来提高电源适配器的效率。EN61000-3-2标准还规定了四大类电源中谐波含量的限制，以及明确的限值和测试标准。这些限制的目的是确保电源产生的谐波含量不会对其他电子设备和电网造成干扰。英飞凌在EZ-PD™ PAG1x基础上开发的单级100W PFC设计满足这些要求。这种设计在物料清单（BOM）数量和尺寸方面比传统设计具有显著优势，降低了总体成本，使其更加紧凑。
与传统架构的比较
传统100W双端口充电器的架构如图2所示。充电器采用三级架构，第一级是一个主动PFC转换器，然后是高压大容量DC电容器。PFC转换器由脉宽调制（PWM）控制器IC控制。
图2. 100W双端口充电器的典型架构
该架构中的第二级是DC-DC转换器，通常是反激式控制器IC，除了二次侧反馈和补偿网络之外，还需要一次侧控制器。或者，可以使用具有一次侧控制器的二次侧控制器IC。
第三级由连接到反激式转换器的输出的两个降压转换器组成。降压转换器由控制器IC控制，控制器IC还执行PD/PPS控制器功能。
然而，由于有三个功率转换级，该架构的一个主要缺点是物料清单（BOM）数量较高。此外，针对100VAC到265VAC的通用输入范围，在PFC级的输出处的DC大容量电容器通常额定为450V，这增加了BOM数量并增加了设计的占位面积。
英飞凌的EZ-PD™ PAG1x实现了单级PFC架构，无需额外的PFC转换器。EZ-PD™ PAG1x是一种采用EZ-PD™ PAG1P和EZ-PD™ PAG1S的双芯片解决方案，采用二次侧控制的准谐振（QR）反激拓扑。EZ-PD™ PAG1P是用于AC-DC应用的一次侧启动控制器，提供启动功能，驱动一次側的FET，并对错误条件做出响应。它适用与二次侧控制的AC-DC反激式变换器拓扑中与EZ-PD™ PAG1S一起工作。在这种拓扑结构中，EZ-PD™ PAG1S是一个集成了PFC控制器、同步整流（SR）驱动器和各种保护电路的单芯片二次侧控制器，可执行电压和电流调节。基于这些特性，EZ-PD™ PAG1x提供了一种新颖的PFC、DC-DC和SR控制器功能，解决了单级PFC设计的关键挑战（见图3）。
图3. 采用EZ-PD™ PAG1x的100 W双端口适配器架构
在该架构中，DC大容量电容器位于反激式转换器的输出端，需要选择额定电压为25伏特的电容器，以满足PD协议最大电压20伏特的需求。使用基于EZ-PD™ PAG1x的解决方案显著降低了BOM数，特别是对于PFC FET、PFC功率电感器、功率二极管、PFC操作的PWM控制器IC和其他被动组件，包括电流感测电阻。通过通信线路，基于PFC的反激式转换器为降压和PD控制器（如EZ-PD™ CCG7xC）生成所需的输出电压。PD控制部分将在以下章节中进行更详细的描述。与传统设计相比，使用英飞凌基于EZ-PD™ PAG1X的单级PFC将组件数量减少了近80个，包括主动和被动组件。
EZ-PD™ PAG1x设计细节
图4显示了基于EZ-PD™ PAG1x的双端口输出单级PFC的示意图。在这个解决方案中，EZ-PD™ PAG1x以80kHz的固定频率工作，并用作二次侧反激式和PFC控制器以及SR控制器。此外，EZ-PD™ CCG7DC可用作一个降压控制器，将输出电压调节到低于输入电压的电平，作为PD控制器与连接的设备进行协商以提供所需的功率和电压电平。通过实现系统性能的无缝优化，EZ-PD™ PAG1S和EZ-PD™ CCG7DC之间的通信链路可确保最佳运行和效率。图4. 基于EZ-PD™ PAG1x的单级PFC设计原理图
图5显示了英飞凌针对100W PFC转换器解决方案的电路板设计。
图5. 基于EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7DC的100W双端口适配器
图6所示的波形说明了100W PFC转换器的输入电压和电流特性。该解决方案在100W负载的整个输入电压范围内实现了超过0.9的功率因数，而在115VAC的输入电压和100W负载下实现了超过0.98的功率因数。
图6. 通道一显示输入电压（黄色轨迹），通道二显示输入电流（品红色轨迹）
提高多端口充电效率：降压和PD控制器的作用
英飞凌的EZ-PD™ CCG7SC and CCG7DC PD及降压-升压控制器专为多端口消费者充电应用而设计。这些控制器符合最新的USB-C PD和PPS规范，并配备了VBUS NFET和降压-升压閘极驱动器，以及正端电流检测放大器（HSCSA），以实现最大效率。这些控制器允许PPS源的最大输出电压为21V，并且将前端AC-DC转换器输出电压固定为大于21V，使之能够使用降压DC-DC转换器来传送SPR定义的电压。然而，当所需的合同电压低于超过21V的固定AC-DC转换器输出电压时，可能存在效率损失。
这种效率下降的挑战可以通过在前端AC-DC转换器控制器（如英飞凌的EZ-PD™ PAG1S，以及通过USB Type-C连接器提供电源的DC-DC转换器）之间实现模拟或数字通信来有效解决。通过这种通信，控制器可以根据PD合同产生所需的电源电压（范围从3.3 V到21.0 V），从而显著提高效率（图7）。
图7. 降压转换器和前端AC-DC转换器之间的模拟和数字通信
基于EZ-PD™ CCG7SC的降压转换器的电路板设计如图8所示。它包括容纳用于三端口适配器解决方案的三个EZ-PD™ CCG7SC控制器和降压转换器的主板。
图8. DC-DC降压和PD控制器解决方案板
图9显示了在使用和不使用数字通信调节5V输出的情况下，降压转换器所获得的效率水平之间的比较。结果表明，5V PD合同电压的效率有所提高，在轻负载条件下潜在增益超过5%，而在满载条件下，效率增益仍然显著，最高可达2%。数字通信的实现允许对输出进行精简的调节，从而提高效率水平，从而显著提高多端口适配器的性能和整体有效性。
图9. 5 V输出的DC-DC（降压）转换器效率比较——前端AC-DC转换器和DC-DC转换器之间有反馈通信提供了优化的效率（Vin = 6 V），无反馈通信（Vin = 22 V）
除了上述功能外，EZ-PD™ CCG7SC和CCG7DC还提供了创新的旁路功能，以实现更高的效率。旁路功能适用于在设备连接并请求固定输出电压（PDO）时运行，如5V、9V、15V或20V，符合USB PD标准。在这种情况下，前端AC-DC转换器输出电压将通过与降压转换器并联的MOSFET直接传递给USB-C连接器。通过有效地绕过降压转换器，该技术实现了直接和流畅的功率传输。
负载共享
在多端口适配器应用中，灵活性对于适应广泛的电压和功率额定设备至关重要（表1）。然而，预先定义端口电压和功率限制会严重阻碍这种灵活性，导致兼容性和性能下降。为了克服这个问题，基于固件的动态负载共享和分配提供了一个有效的解决方案。通过启用端口功率的动态配置，这种方法可确保所有连接的设备都能获得最佳的电压和功率水平，从而支持每个设备的独特功率需求。通过实现这种方法，多端口适配器可以增强其灵活性和整体性能，适应更广泛的操作设备，并提供卓越的功能。表1设备与典型功率水平
结论
USB-C充电器和适配器的功率效率在决定其功率密度方面起着至关重要的作用。此外，在为您的设计选择合适的适配器架构时，转换器拓扑结构、使用模型、集成和控制器功能的灵活性是需要考虑的关键因素。在这篇文章中，英飞凌展示了其针对高度集成的100W多端口适配器的全面解决方案，它采用基于EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC技术的单级PFC设计。单级PFC架构在材料清单（BOM）数量和尺寸方面比传统设计具有显著优势，降低了总体成本，使其更加紧凑。同时，它符合电源适配器的欧洲标准EN61000-3-2，并确保与最新的USB PD/PPS标准兼容。
EZ-PD™ PAG1x具有一个反激式二次侧控制器、一个PFC控制器和一个PD控制器。EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC为多端口功能提供降压和PD控制器。通过调节反激式转换器的输出，EZ-PD™ PAG1x和EZ-PD™ CCG7SC/CCG7DC之间的通信能够提高不同PD合同电压的效率。这两个IC都是高度可配置的，为满足特定客户需求的定制设计提供了极大的灵活性。
所展示的设计为100W和2/3端口提供了可靠且具有成本效益的解决方案；它也可以用于更高功率和多端口解决方案。
探索英飞凌针对高度集成USB-C PD适配器的全面解决方案的功能。请访问我们的网页，了解更多关于我们高度可配置和灵活的IC的信息，并了解如何使用我们的技术优化您的产品。
2023年5月9日至11日：参观纽伦堡的PCIM Europe
我们邀请您在我们的USB-C适配器和充电器演示站观看英飞凌关于宽带隙技术和硅功率半导体最新趋势的演示。通过我们的新产品演示、现场技术讲座或与专家进行单独对话，了解我们的解决方案如何应对当今绿色和数字化转型的挑战。在纽伦堡展览中心（7号展厅，412号展位）与我们见面。
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