可编程、小巧及高效零电压开关电源IC助USB PD设计推陈出新
日期：2022-11-16
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2021年5月，USB-IF协会发布最新的USB PD3.1快充标准，标志着USB PD快充技术迎来了发展史上的一次重大更新。新标准将为整个电源行业带来新的市场机遇，尤其是快充芯片、MOSFET、协议芯片、E-Marker芯片、充电线缆和连接器等相关产业链获得重大利好。
作为专注于半导体领域高压功率转换的技术创新型公司，Power Integrations（PI）是紧跟行业标准不断创新，为客户提供各种迎合潮流的电源IC。在德国慕尼黑电子展（Electronica）期间，PI又推出了InnoSwitch™4-Pro系列数字控制离线恒压/恒流零电压开关（ZVS）反激式IC，助力大幅缩减电源适配器的尺寸。PI资深技术培训经理Jason Yan在新品媒体沟通会上详细解读了这款中功率应用的高效解决方案。
回顾InnoSwitch™4-Pro之前
在发布InnoSwitch™4-Pro之前，PI的产品阵容中已经有了具备广泛适用性的InnoSwitch3-Pro，可以说在USB PD设计方面是一脉相承。这次推出的新产品是有源钳位数字可编程反激式氮化镓开关IC，可以实现超过95%的效率，且外形小巧，同时兼容USB PD和通用快充技术规范（UFCS）的适配器设计，输出功率高达220W。
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这些高度集成的器件采用稳定耐用的PowiGaN氮化镓初级开关，稳态开关频率高达140kHz，有助于缩小磁芯尺寸，并使用平面变压器，从而减少用于手机、笔记本电脑、平板电脑和多端口配件市场的超紧凑适配器应用所需的元件数量和PCB板面积。
Jason Yan表示：“我们现在的大功率产品都在初级侧集成了氮化镓开关，而且集成了很多新的特性和功能。”
他介绍说，早在2015年PI就推出了USB PD设计，包括采用磁感耦合方式实现初级侧和次级侧信号耦合；2017年推出第三代产品，采用革新的控制方式以降低在较大功率应用当中音频噪声对用户的困扰，进而适应更高输出功率充电器的使用需求；2018年推出了氮化镓产品，发挥了开关速度快、损耗低的优势。
为了实现在设计不做较大改动、不改变开关频率的情况下进一步缩小电源体积，2020年PI推出了采用氮化镓开关的MinE-CAPIM，大大缩减了输入电容的体积；2021年，PI又推出了第四代的有源钳位的InnoSwitch产品以及把MCU集成进芯片的USB PD应用IC。
InnoSwitch4-Pro的效率及其他
Jason Yan介绍说，InnoSwitch3-Pro是一款具有多功能智能接口、方便数字编程控制的高效功率变换IC，是市面上将模拟电路和数字电路集成在一起的功率器件，而一般功率器件都是模拟器件，里面没有数字电路。这样做的好处是可以大大提升开关电源的智能化水平，利于实现一些功率特性的高级管理和控制。
InnoSwitch4-Pro IC内部同时集成了坚固耐用的750V PowiGaN初级开关、控制器、用于次级侧控制的FluxLink™加强绝缘反馈链路、I2C接口、有源钳位驱动和同步整流，能够提供高达220W的功率。
InnoSwitch4-Pro IC采用独特的控制方法，在DCM和CCM中都能实现ZVS。与ClampZero IC搭配使用时，该控制方法可支持更高的操作频率，而不会造成效率的下降。InnoSwitch4-Pro产品单独使用时，在DCM和CCM模式下还同时支持准谐振的开关工作，还可选择仅采用DCM模式工作以降低SR FET电压应力。新IC还具有优化的命令集以降低I2C数据拥堵的可能性。
ZVS结合PowiGaN™技术几乎消除了开关损耗，效率超过95%，使设计人员能够省去热管理通常需要的散热片、导热片和灌封材料，也进一步减轻了适配器的重量。
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如果在使用InnoSwitch4-Pro和ClampZero IC之外再使用MinE-CAP™器件，则可以进一步减小适配器的尺寸。MinE-CAP IC同样基于PowiGaN技术，可将输入电容的尺寸减小约40%。
InnoSwitch4-Pro是不依赖于协议的产品，可以和所有标准协同工作，对电源的各种特性进行控制，加上高频有源钳位功能，意味着可实现极小尺寸的设计。它支持USB-PD、PPS、UFCS和其他各种客户定制化协议，兼容CC1和CC2、D+ & D-命令输入，具有增强的报告功能及更多可编程设定保护特性。
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Jason Yan解释说，将增强的I2C接口与InnoSwitch4-CZ有源钳位高效特性相结合，可以实现无损耗钳位，也就是初级钳位漏感能量的回收再利用。在初级功率开关关断之后，漏感当中储存的能量会暂时放到电容中，在一定时序控制之后，再把这个电容储存的能量通过变压器释放到次级，由负载消耗掉。传统电路的漏感能量是被钳位电路以发热形式损耗掉的，而有了有源钳位，就可以回收再利用漏感能量。
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高集成度可极大简化全数控高效率电源的开发和制造。InnoSwitch4-Pro数字控制的反激电源IC与ClampZero和MinE-CAP配套器件搭配使用，可满足OEM原装、非原装USB PD和通用快充技术规范（UFCS）适配器市场应用非常需要的超紧凑和纤薄外形的设计要求。
InnoSwitch4-Pro反激式开关IC可提供优异的恒压/恒流精度，不受外围元件参数变化的影响，并且在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，其空载功耗小于30mW。该器件具有完善的保护功能，可提供用于输出过压和欠压保护的自动重启动或锁存故障响应方式，以及提供多个输出欠压故障阈值、锁存或迟滞初级过温保护以及输出母线开关短路保护。
简化设计，支持广泛应用
可编程设定的高性能功率变换IC InnoSwitch4-Pro支持广泛的应用，PI同时为推出了两款参考设计DER-960（100W）和RDK-942（65W），可供需要评估InnoSwitch4-Pro IC的设计人员使用。
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Jason Yan最后介绍了UFCS，它是中国通信标准化协会发布的用于配件适配器市场的新兴标准，也是中国推广通用充电标准的一部分。InnoSwitch4-Pro基于中国的快充技术标准，同时兼顾了中国专有的一些快充标准。其超薄的InSOP™-28D封装，具有更宽的爬电间距，易于满足国际各种安全标准的要求。
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