方案解析：高效率、高靈活性的USB－PD充電參考設(shè)計(jì)

隨著USB Type-C商用進(jìn)程的加速，與之同步推進(jìn)的USB-PD功率傳輸協(xié)議的發(fā)展也步入了快車道。在智能設(shè)備的電池容量越來(lái)越大的今天，這一基于新的USB接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠承載更高電流(3A或5A)，能夠傳輸高達(dá)100W功率，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)的協(xié)議備受矚目。各技術(shù)供應(yīng)商也紛紛推出了兼容USB-PD的充電解決方案。

前不久，Power Integrations(PI)和Cypress聯(lián)合推出了一款兼容USB-PD協(xié)議的20W AC-DC電源轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)DER-533。這一參考設(shè)計(jì)按照USB-PD標(biāo)準(zhǔn)的Profile 2要求，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)3A的USB Type-C線纜提供5V/3A和9V/2.2A的功率傳輸。我們今天就來(lái)仔細(xì)剖析一下這個(gè)方案。

圖1是一個(gè)典型的USB-PD充電器解決方案示意圖。從中可以看到，在該方案的供電端需要兩個(gè)核心的芯片：一個(gè)是AC/DC電源轉(zhuǎn)換IC，完成交流到直流的功率轉(zhuǎn)換，一個(gè)是USB-PD協(xié)議控制IC，運(yùn)行功率傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)充電的智能控制。這兩顆器件性能的優(yōu)劣，直接影響到整體方案的表現(xiàn)。

圖1，典型的USB-PD充電器解決方案系統(tǒng)框圖

在上述PI和Cypress推出的參考設(shè)計(jì)DER-533中，兩家公司分別成為了這兩個(gè)核心器件的供應(yīng)商。

該參考設(shè)計(jì)中，AC/DC芯片選用了PI公司的InnoSwitch-CP IC。InnoSwitch-CP采用了PI獨(dú)有的FluxLink技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的精確控制。傳統(tǒng)的AC/DC方案，要么采用性能高但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的次級(jí)反饋控制電路，要么為了簡(jiǎn)化復(fù)雜度和降低物料成本而采用初級(jí)控制電路，但在性能上進(jìn)行折中。InnoSwitch-CP解決了設(shè)計(jì)工程師的這個(gè)困擾，它通過(guò)在初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間的磁感耦合技術(shù)，使得AC/DC電源系統(tǒng)既能夠具備次級(jí)反饋控制電路的性能優(yōu)勢(shì)，也能夠具有初級(jí)反饋控制電路簡(jiǎn)單性的特點(diǎn)，同時(shí)不需要光耦器進(jìn)行隔離，進(jìn)一步優(yōu)化了BOM成本。

InnoSwitch-CP跨接于初次級(jí)隔離帶之間，同時(shí)控制初級(jí)主開(kāi)關(guān)管與次級(jí)同步整流開(kāi)關(guān)管，可防止兩個(gè)功率MOSFET發(fā)生交越導(dǎo)通，并能夠滿足隔離元件的所有安規(guī)及耐壓要求。這也使得該方案具有高效率和高可靠性的特性，它可直接監(jiān)測(cè)充電器的輸出端，達(dá)到精確的輸出電壓及電流控制，輸出同步整流MOSFET也由此IC直接驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單高效的高可靠性設(shè)計(jì)。

InnoSwitch-CP可以確保充電過(guò)程中保持恒功率輸出，在不同輸入電壓、負(fù)載、溫度及批量生產(chǎn)條件下輸出均能滿足優(yōu)于3%的穩(wěn)壓精度。在高能效表現(xiàn)方面，該器件在其它類似的設(shè)計(jì)中曾經(jīng)達(dá)到過(guò)在整個(gè)功率范圍內(nèi)效率均高于90%，且空載功耗低于10 mW的優(yōu)異特性。

圖2，PI的InnoSwitch-CP典型AC/DC應(yīng)用電路

Cypress的CCG2 USB Type-C控制器在這一參考設(shè)計(jì)中，運(yùn)行功率傳輸協(xié)議，在供電和受電設(shè)備之間建立自適應(yīng)的充電流程，以確保整個(gè)充電過(guò)程的快速可靠。由于其具有可編程的特性，用戶可以方便地通過(guò)更新固件，以適應(yīng)USB-IF 規(guī)范的更新修改。

CCG2 USB Type-C控制器集成度很高，包含了一個(gè)ARM Cortex-M0 處理器及32KB 閃存，集成了Type-C 收發(fā)器、終端電阻及系統(tǒng)級(jí)的ESD保護(hù)電路，并可在出廠前固化滿足USB-IF要求的固件程序。同時(shí)在能耗方面，CCG2的在進(jìn)入“深度睡眠”狀態(tài)時(shí)僅消耗2.5μA電流。因此，與PI的InnoSwitch-CP結(jié)合之后，使得參考設(shè)計(jì)能夠輕松滿足DoE6能效要求，空載功耗低于30 mW。

圖3，CCG2 USB Type-C控制器具有很高的集成度

由于PI和Cypress的這兩顆器件，都具有較高的集成度和簡(jiǎn)化的BOM，這使得最終的方案也具有簡(jiǎn)潔和低成本的特性。這些要素整合在一起，使得該參考設(shè)計(jì)成為目前我們可見(jiàn)的非常優(yōu)秀的一款USB-PD充電器解決方案。