PI单芯片PD解决方案适合高功率密度应用且易于量产

日期:2021-09-27
日前,Power Integrations(PI)举办线上新品沟通会,介绍了一款名为InnoSwitchTM 3-PD的高度集成的USB-C PD + PPS电源适配器解决方案。
PI公司高级技术培训经理阎金光表示,在以前的产品中都在使用PD,随着现在PD应用的推广,InnoSwitch3-PD恰逢其时。据他介绍,这款产品符合USB Type-C标准和PD 3.0协议,用一个IC即可在降低成本的同时实现更高的功率密度,而且易于大批量生产。
 
主打高能效IC,不断推陈出新
阎金光首先介绍了PI的四大块业务:高能效AC-DC电源用IC产品;LED照明高效率驱动器IC;对安全要求极其严格的关键系统用高可靠性IGBT驱动器;高效率、高可靠性、高集成度的电机驱动器;以及支持400V和800V应用的汽车级门极驱动器和功率解决方案。
他说,针对USB PD设计与创新,PI不断推出一系列产品。2015年,推出了InnoSwitch加FluxLink™。FluxLink是世界上首先出现的一款初级和次级之间用两个线圈耦合来传输次级信息的IC;2017年,推出了第三代InnoSwitch3;2019年,推出InnoSwitch3-Pro,有I2C接口,可以和微处理器通信。微处理器是实现PD协议的接口,用的是Type-C接口和负载通信,所以实际上InnoSwitch3加了一个数字接口跟外部控制器通信;同时针对更大功率输出,如最大功率100W的20V,5A PD应用,在三个产品型号中采用了PowiGaN™ 开关;2020年,为了满足配件市场对电源更高功率密度的要求,推出了MinE-CAP™,主要是降低输入大电容所占的空间和尺寸,有助于在不改变工作频率的情况下进一步缩小电源体积。
今年,发布的InnoSwitch4-CZ,利用ClampZero实现源钳位工作和同步整流实现了更小的电源体积。在USB-PD应用中,无论是最开始的InnoSwitch,到现在最新的InnoSwitch4第四代产品,PI始终致力于提供更大的输出功率,同时实现更高的功率密度,这是PI研发USB-PD应用的初衷。
 
创新PD方案新在哪里?
之前PI的系列产品都有PD功能,为什么还要做InnoSwitch3-PD呢?原来InnoSwitch3-PD是一个简化BOM的PD应用方案。
看看这张原理图,只有一个IC与外边Type-C的CC1和CC2通信;IC内部集成了MCU。InnoSwitch3-PD既是一个功率器件,内部有高压MOS管、两个电源控制器,又有数字电路和MCU,可以从接口直接连接Type-C接口。
 

 
InnoSwitch3-PD的新颖之处很多,包括:
首先,IC初级侧集成初级功率高压开关,功率比较大的方案可以选择氮化镓开关。其操作方式跟以前的InnoSwitch3一样是多模式QR和CCM。QR电源为非连续工作状态,在波谷地方导通,可以降低初级开关的开通损耗。反激电源基本上在低压输入情况下都是连续工作模式,好处是可以降低初级交流有效值,进而降低导通损耗。所以在反激应用当中,有必要优化这种工作模式。难点之一是在CCM模式工作时,初级侧有一个功率开关,次级侧用了同步整流MOS管。而这两个开关是不能同时导通的。如果同时导通,电源就会炸掉。那么,用一个控制器同时控制两个功率开关就可以保证两个开关时序不会出现同时导通的情况,这也非常有利于在CCM模式工作,可靠性非常高。
其次,次级侧同步整流MOS管由该控制器直接驱动,一个控制器可以避免用一个控制器控制初级开关,次级是另一个控制器控制同步整流时无法协同工作的问题。一个控制器控制两个功率开关,可以将开关操作的死区时间做的尽量短,进而增加次级同步整流MOS的导通时间,最大限度地提升电源效率。
第三,负载开关的驱动集成在InnoSwitch3-PD IC内部,直接提供负载保护,无需额外的外部电路元件来实现。一旦开关检测到空载或是拔掉了电缆,开关就会断开,输出端也就没有电压出现,以保证安全和可靠性。
第四,次级侧USB-PD MCU可以根据负载类型判断所连接的设备是有源还是无源负载。需要用控制器中集成的程序对负载类型作出判断,还要做电缆E-marker检测。Type-C电缆有不同输出规格,3A以下的电缆内部没有识别IC,而某些电缆中会放一个小的IC,目的是让连接的设备对其加以识别,检测到E-marker就表明该电缆可以传输最大5A的负载电流。
第五,USB-PD控制器内部的VBUS/VCONN开关控制功能可以保证给E-marker电缆中的IC提供供电电压,以进行电缆识别检测,VCONN的电压通常为3.3V或者5V。作为USB-PD应用的连接设备,InnoSwitch3-PD设备仅作为供电设备而存在,因适配器本身不会做为受电设备与其它设备连接。另外,CC1和CC2的额定电压最大达到28V,而PD应用中最高电压就是20V,所以电压额定是安全的。如果有更高电压进来,会提供OVP保护。
第六,InnoSwitch3-PD IC还提供一个NTC温度检测输入,以检测电源系统中的某一个地方的温度,温敏电阻可以安装在电源内部温升高的地方,进行系统温度监测,比如变压器、输出整流管或者Type-C连接器。
第七,使用InnoSwitch3-PD的电源不像以前的反激电源有一个电压采样,实现固定的电压或电流输出特性。这是USB-PD应用的一个好处,PD应用是根据负载的需求来设定其输出电压或电流的。它的输出电压范围是3到24V可调,每个档位之间的压差是10mV,按照PD标准要求每20mV一档,而PI做到每10mV一档,可以得到更加精确的输出电压;电流亦然,恒流点可真最大输出数值的20%-100%之间认为设定。
最后,对于USB-PD的应用,PI这颗还提供负载放电功能,一旦负载从适配器输出端断开,IC会通过VB/D引脚对输出端放电,以保证输出端电压为零伏。
 
节省更多元件,简化BOM
InnoSwitch3-PD比类似产品节省了更多元件,可以简化BOM。从图中可以看出,采用InnoSwitch4-CZ有源钳位方案后,可将总元件数目降低至79个元件,采用最新高集成度InnoSwitch3-PD,元件仅为60个,相对于市场上其它方案几乎减少了一半。这带来最大的好处就是可以将电源做得更小,同时增加可靠性。
 

 
利用市场上唯一的单芯片解决方案同时做到了同步整流驱动、初级开关控制,还有PD协议控制。其20W小魔方充电器设计的体积比5W充电器大不了多少,几乎在同一个量级。所用元件数为44个,每立方厘米功率密度高达1W。
 
 
 
InnoSwitch3-PD效率可达95%,空载功耗低至14mW,把Type-C和PD协议控制器集成到功率IC内部,避免了采用不同厂家协议接口IC带来的空载功耗过大的缺点,可以把空载功耗做得更小。100W方案涵盖了PD最大功率的应用,因为其高效率,所以在很多设计中都不用散热片,对于高功率密度的设计也确实没有空间放散热片。对于较大输出功率的可以使用PowiGaN,功率比较小的应用采用硅技术的MOSFET更具成本优势。
InnoSwitch3-PD的封装增加了一些引脚,包括直接连接Type-C协议通信的CC1和CC2引脚;NTC是增加的一个过温检测引脚,可以连接热敏电阻来监测系统中过温故障易发生的位置点。
 

 
InnoSwitch3-PD适用于快充的一些主要特性包括:支持PD3.0和PPS协议,可以实现编程控制,根据负载指令来调整输出电压和电流;兼容高通的QC4.0协议。InnoSwitch3-PD不像一些传统功率器件,其内部有一次性可编程存储器,协议软件需要写进IC内部,而且可根据客户的特殊应用需求对软件加以定制,批量供货的IC会已经包含客户定制的协议软件,这样可以大大简化客户微处理器协议软件的维护,产品研发期间也无需请专门的软件工程师写PD软件,节省研发时间。内部集成Type-C控制器可简化设计,符合USB Type-C 1.3标准,提供的上拉电流源可用于负载和线缆的检测,VCONN供电用于电子标识线缆的识别;同时提供CC1/CC2线的过压保护(28V)功能。
与PI其它的InnoSwitch3器件相比,InnoSwitch3-PD最大输出功率可达100W,主要用于PD适配器的应用。PI提供多款元件型号,涵盖不同的功率应用范围。如用户没有特殊的PD应用需求,PI提供的标准型号产品内部已经集成了PD协议软件,包含不同的PDO(电源数据对象)输出参数;对应不同功率大小,也有相应的APDO(增强电源数据对象)输出特性,组合非常灵活。
 

 
InnoSwitch3-PD增加的一些功能包括:内部集成Type-C控制器,提供集成VCONN开关、BMG(双向符号编码)发送和接收,所谓BMC是用一条线同时传输数据和时钟,通过相位变化来表示数据是0还是1;最后提供所有必需的USB-PD和PPS功能。
 

 
阎金光最后强调,InnoSwitch3-PD是唯一的USB PD单芯片解决方案,具有InnoSwitch3系列的卓越性能,低空载功耗,效率极高,还有完善的保护,同时显著减少BOM,特别适合超薄小巧外形的应用或超薄设计,易于大批量生产。
 
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