新一代AC/DC ZVS高功率密度USB PD 解決方案助力移動設(shè)備快速充電

1   移動設(shè)備AC/DC電源適配器之大趨勢

大多數(shù)移動設(shè)備（包括智能手機(jī)和平板電腦）都需要AC/DC 開關(guān)電源適配器或充電器為電池充電。我們先來看一下大趨勢。如圖1 所示，大約15 年前，插在墻上的充電器看上去簡單且略顯笨重，其功率通常為5 W 或更低，具有固定的5 V 輸出電壓。大約10 年前，隨著智能手機(jī)的推出，整個(gè)行業(yè)過渡到了基于USB Type-A 的便攜式電源適配器（Travel Adaptor）。功率增加到了7.5 W 和10 W，輸出電壓仍固定在5 V 左右。

大約7~8 年前，業(yè)內(nèi)開始開發(fā)快速充電解決方案，輸出電壓不再是固定的5 V。它可以配置為9 V、12 V或其他具有不同輸出電流的電壓水平，并且功率通常增加到15 W、18 W 或25 W。這一進(jìn)步主要是由多家手機(jī)端芯片組解決方案提供商和智能手機(jī)制造商共同推動的。

近年來，使用USB Type-C 和USB PD 技術(shù)來支持更高功率級別的快充成為了新趨勢。市場上也相應(yīng)出現(xiàn)了各種基于USB PD 的便攜式電源適配器。它們支持的功率達(dá)到45 W、65 W 及以上，具有較寬的輸出電壓和電流范圍（3.3~21 V，0~5 A 等）。盡管功率級別增加了，但電源適配器的大小并沒有成比例地增加。消費(fèi)者喜歡將電源適配器放在口袋里，沒人愿意攜帶一個(gè)笨重的電源適配器。這就意味著功率密度變得更高了。

圖1 針對移動設(shè)備的AC/DC電源適配器發(fā)展趨勢

2   快充的工作原理

今天的智能手機(jī)（如5G 手機(jī)）具備更強(qiáng)的性能，例如更快的處理速度和更大的屏幕，這些都需要由更大容量的電池來供電，目前已達(dá)到（4 000~5 000）mAh或更高。但是，電池容量的增大不能以延長充電時(shí)間為代價(jià)，因?yàn)橄M(fèi)者不愿意在電池充電上等待太長時(shí)間。所以，市場需要快充，這意味著需要快速地將電能從墻壁插座通過充電器和線纜傳輸?shù)绞謾C(jī)內(nèi)部的電池中。而要提高充電速度，則需要更高的功率。大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦通過USB 線充電，默認(rèn)電壓為5 V。通常，線纜和連接器有可通過的最大電流限制，因此電源適配器需要增加其輸出電壓才能提高充電功率。這樣一來，快充電源適配器便不再僅僅以5 V 電壓工作。新的適配器設(shè)計(jì)使其可以動態(tài)地配置輸出電壓和電流。當(dāng)電源適配器初次插入墻壁插座時(shí)，其輸出電壓仍為5 V，之后智能手機(jī)將根據(jù)手機(jī)端的操作條件通過某些通信協(xié)議協(xié)商并請求不同的輸出電壓，電源適配器則可以相應(yīng)地調(diào)整其輸出電壓?？斐涑伺渲秒妷和猓€可以配置電流限制。有一種稱為“直接充電”的方法，可以繞過手機(jī)內(nèi)部基于DC/DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的電池充電電路，直接使用外部的AC/DC 開關(guān)電源為電池充電。這就需要以精細(xì)的步長（例如20 mV / 步、50 mA / 步）對AC/DC電源適配器的輸出電壓和電流進(jìn)行更精確、更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，以匹配電池的不同工作范圍和運(yùn)行狀況（例如：1S 電池典型電壓范圍為3.7~ 4.2 V；2S 典型電壓范圍為7.4~8.4 V）。

3   為什么使用Type-C和USB PD？

實(shí)現(xiàn)快充需要適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。到目前為止，業(yè)界還沒有統(tǒng)一的快充協(xié)議，基于D+/D- 的協(xié)議（例如高通Quick Charge QC2.0/3.0 和某些OEM 專有協(xié)議）和USB PD 并存，而USB PD 正成為一種新趨勢。USB PD 是建立在USB Type-C 連接器之上的通信協(xié)議，而USB Type-C 是一種新的連接器技術(shù)，它提供了各種擴(kuò)展的功能，比現(xiàn)有的A 型/B 型連接器具有更多的引腳，可支持高達(dá)100 W 的功率以及5A 的更大電流。它的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正的通用性、正反可用性和便利性，實(shí)現(xiàn)線纜兩端都可以插，接口正反都可以用。它的尺寸小于A 型/B 型連接器，有助于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。它不僅適用于移動設(shè)備，還適用于計(jì)算機(jī)、電視和其他消費(fèi)電子應(yīng)用，并得到所有主要OEM 的支持。借助Type-C 連接器，USB PD 協(xié)議可以在1根線纜中組合、協(xié)商和傳輸電源、數(shù)據(jù)、視頻和音頻信息。USB PD 協(xié)議涵蓋面廣，其標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展演變中。USB PD 2.0 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)允許多達(dá)7 個(gè)電壓檔位，每檔都有相應(yīng)的電流限制；而支持可編程電源（PPS）協(xié)議的USB PD 3.0 標(biāo)準(zhǔn)還涵蓋了“直接充電”。這些功能和特性都為消費(fèi)者帶來了很多便利。

4   常規(guī)USB PD解決方案的局限性

常規(guī)的USB PD 解決方案盡管功能齊全靈活，但對于移動設(shè)備快充應(yīng)用來說，它們?nèi)源嬖谝恍┚窒扌?。它們通常沒有針對AC/DC 功率轉(zhuǎn)換進(jìn)行優(yōu)化，還具備一些電源適配器并不需要或不適用的功能，例如視頻和音頻模式；它們通?；贒SP 或MCU，具有較高的固有控制器成本；它們需要諸多外部元件，從而導(dǎo)致較高的系統(tǒng)BOM（物料清單）成本；它們可能需要電源硬件工程師編寫軟件或firmware（固件），從而導(dǎo)致復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和較長的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。移動設(shè)備快充，尤其是智能手機(jī)快充，占據(jù)了龐大消費(fèi)電子市場相當(dāng)份額，有必要對此應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化。

5   應(yīng)對功率轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)

除了通信協(xié)議之外，在功率轉(zhuǎn)換方面，如圖2 所示，快充電源適配器設(shè)計(jì)還面臨許多挑戰(zhàn)，例如嚴(yán)格的多級恒定電壓和恒定電流（CVCC）控制調(diào)節(jié)、高效率、低待機(jī)損耗、快速動態(tài)負(fù)載響應(yīng)、高功率密度、小型化、更低的EMI/EMC、強(qiáng)大的保護(hù)功能、滿足全球各種電源標(biāo)準(zhǔn)和不同OEM 的特定要求、提供很好的用戶體驗(yàn)（例如無聽覺噪聲）、實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)中成本低廉等等。其中，在高功率（45 W 及以上）應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高功率密度已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門話題。當(dāng)然，高功率密度需要更高的效率和更低的功耗；此外，它要求將各種元件尺寸做到最小，并將包括變壓器在內(nèi)的所有功率器件和元件緊湊而恰當(dāng)?shù)胤庋b到小體積的適配器外殼中，且不會出現(xiàn)過熱或其他問題。

圖2 快充電源適配器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

在高功率密度領(lǐng)域有多種技術(shù)和方法，例如更高的開關(guān)頻率、諧振拓?fù)?、軟開關(guān)、數(shù)字化智能控制、GaN 器件的恰當(dāng)使用等。通常，對于AC/DC 反激式拓?fù)?，通過開關(guān)頻率的提升可以減小變壓器的體積并降低傳導(dǎo)損耗，有助于實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸。但是更高的開關(guān)頻率也會帶來更高的變壓器磁芯損耗和功率器件開關(guān)損耗。作為軟開關(guān)技術(shù)的一個(gè)重要部分，零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)可降低開關(guān)損耗并改善功率開關(guān)器件的工作條件，從而在高開關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的效率，在滿足尺寸和散熱要求的同時(shí)，使總體功率損耗保持在可接受的范圍內(nèi)。

6   Dialog的最新ZVS高功率密度AC/DCUSB PD解決方案

Dialog 致力于AC/DC 功率轉(zhuǎn)換技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)已超過15 年。近年來，Dialog 與行業(yè)合作伙伴和客戶緊密合作，在快充解決方案開發(fā)和市場培育中處于領(lǐng)先地位，發(fā)布了多代產(chǎn)品和解決方案。最近，為了滿足行業(yè)和市場需求，Dialog 推出了最新的ZVS 高功率密度USB PD 解決方案。該方案基于iW9801 和iW709芯片組，如圖3 所示。

圖3 采用iW9801和iW709的ZVS高功率密度USB PD解決方案的典型應(yīng)用電路

作為一個(gè)顯著特點(diǎn)，該解決方案使用了具有輔助繞組和低側(cè)輔助開關(guān)（Aux. Sw）的ZVS 反激式拓?fù)?。在打開主開關(guān)（Main Sw）之前，輔助開關(guān)（Aux.Sw）會短暫導(dǎo)通一小段時(shí)間，使變壓器的電感和線路中的寄生電容產(chǎn)生諧振運(yùn)行，從而降低主開關(guān)的電壓。

通過Dialog 的自適應(yīng)ZVS 專利控制技術(shù)，在線路輸入交流電壓、輸出直流電壓和負(fù)載電流的全范圍運(yùn)行條件下為主開關(guān)創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)化的ZVS 導(dǎo)通條件。在主開關(guān)關(guān)斷時(shí)ZVS 輔助繞組還部分回收了變壓器漏感上的能量，并降低了關(guān)斷損耗。與有源鉗位反激式（ACF）拓?fù)湎啾龋@種ZVS 拓?fù)淇梢越档统杀?，因?yàn)樗恍枰邆?cè)驅(qū)動器和高壓輔助開關(guān)器件（通常600 V 或更高），而測試結(jié)果表明它可以達(dá)到與ACF 拓?fù)鋷缀跬鹊男省?/p>

該解決方案將iW9801 用作初級側(cè)控制器，iW709用作次級側(cè)控制器。iW9801 使用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)ZVS 和其他高性能功能，適用于45 W 及以上功率的快充應(yīng)用。電源適配器的體積取決于滿載效率和開關(guān)頻率。為了滿足各種能效標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在全負(fù)載范圍的高效率而不帶來聽覺噪聲等問題，iW9801 采用了一種Dialog 的自適應(yīng)多模式專利控制策略，在滿載和重載時(shí)采用高頻的PWM 模式，從重載到輕載開關(guān)頻率則相應(yīng)降低，其調(diào)制方式依次為PWM、PFM、DPWM（Deep PWM） 和Burst 模式。iW9801 內(nèi)置了主開關(guān)和輔助開關(guān)的驅(qū)動器。其自適應(yīng)ZVS 根據(jù)適配器實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，采用準(zhǔn)確的數(shù)字算法，逐個(gè)開關(guān)周期動態(tài)地調(diào)整ZVS 控制時(shí)序。因此，無論輸入輸出電壓及負(fù)載如何變化或者更換何種主MOSFET，自適應(yīng)ZVS 都可以靈活應(yīng)對，并保證ZVS 的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，從而大大降低開關(guān)損耗并可實(shí)現(xiàn)較低的EMI。在上述功能基礎(chǔ)上iW9801 還提供了一系列內(nèi)置的強(qiáng)大保護(hù)功能。

iW709 集成了3 種次級側(cè)的控制功能：USB PD3.0 協(xié)議支持、MOSFET 同步整流器（SR）的驅(qū)動控制、反激式拓?fù)浯渭墏?cè)調(diào)節(jié)（SSR）。iW709 已通過USB-IF 對PD3.0（含PPS）的權(quán)威認(rèn)證測試，實(shí)現(xiàn)了以精細(xì)的步長（20 mV / 步、50 mA / 步），支持3.3~21 V 寬范圍輸出。iW709 協(xié)議功能同時(shí)支持高通Quick Charge QC4+，針對快充電源的要求和特性進(jìn)行了優(yōu)化，并集成了USB VBUS 開關(guān)驅(qū)動控制，為外部設(shè)備提供保護(hù)。iW709 的SR 控制單元針對高頻應(yīng)用優(yōu)化了SR MOSFET 開/ 關(guān)時(shí)序，并使用專利技術(shù)針對ZVS 或ACF 進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。它具有自適應(yīng)驅(qū)動電壓，可以保證快速關(guān)斷，從而對CCM 控制提供更好的支持。它的智能化精準(zhǔn)電壓檢測可以防止同步整流管誤導(dǎo)通。自適應(yīng)時(shí)序控制使芯片應(yīng)用于更寬的頻率范圍，接受更大的系統(tǒng)容差。在電壓電流閉環(huán)控制方面，iW9801/iW709 芯片組能以非常精細(xì)的步長實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的多級電壓電流CVCC 調(diào)節(jié)，并在典型的45 W 設(shè)計(jì)中滿足低于20 mW 的空載待機(jī)損耗要求。借助芯片內(nèi)置的SSR 數(shù)字補(bǔ)償，該芯片組消除了對外部環(huán)路補(bǔ)償元件的需求，同時(shí)在所有工作條件下保持穩(wěn)定性。

與常規(guī)的USB PD 控制器相比，iW709 特別針對AC/DC 功率轉(zhuǎn)換進(jìn)行了優(yōu)化，包括：

●   專門為便攜式電源適配器應(yīng)用簡化了設(shè)計(jì)，去掉了電源不適用或不需要的功能（例如：視頻和音頻模式）。

●   使用基于狀態(tài)機(jī)的數(shù)字邏輯，并進(jìn)行了優(yōu)化處理，降低了自身成本。

●   需要較少的外部元件和系統(tǒng)BOM 成本。

●   無需編寫軟件或firmware，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

圖4 顯示了一個(gè)采用iW9801/iW709 解決方案的65 W ZVS USB PD 便攜式電源適配器設(shè)計(jì)樣品照片。它完全支持PD3.0 協(xié)議以及PPS，包含多種輸出：5V3A、9V3A、15V3A、20V3A、20V3.25 A、15V_prog（3.3V-16V/3A） 和20V_prog（3.3V-21V/3A）。對于15 V 輸出，在115 V AC 下測得的滿載效率為93.23％，在230 V AC 下測得為94.02％；對于20 V輸出，在115 V AC 下測得的滿載效率為93.08％，在230 V AC 下測得為93.93 ％。該65 W 設(shè)計(jì)使用Silicon MOSFET 作為功率開關(guān)器件，全部元器件裝在單塊PCB（印制板）上，并已經(jīng)過全面測試，滿足所有電氣、散熱和安全要求。

圖4 采用了 iW9801和iW709的65W ZVS USB PD便攜式電源適配器設(shè)計(jì)樣品照片

除了支持高功率（45 W 及以上）及高功率密度的基于iW9801 的ZVS 解決方案之外，Dialog 還推出了以iW9809 為初級側(cè)控制器的準(zhǔn)諧振（QR）解決方案，目標(biāo)應(yīng)用是低成本低功率（40 W 及以下）的場合（圖5）。iW9809 控制反激式電路中的單個(gè)功率開關(guān)，不使用ZVS 輔助開關(guān)。它的準(zhǔn)諧振方式采用Dialog 的恒定開關(guān)頻率QR 專利技術(shù)，與自適應(yīng)多模式開關(guān)調(diào)制策略（PWM、PFM、DPWM 和Burst）無縫對接共同運(yùn)行，可為目標(biāo)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳的尺寸、高效率、低EMI 共模噪聲和低聽覺噪聲等良好性能。與iW9801 相似，iW9809 可以與iW709 配合使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的低成本USB PD 解決方案，同時(shí)空載待機(jī)損耗低于20 mW。

圖5 采用iW9809和iW709的低成本USB PD 解決方案典型應(yīng)用電路圖

7   結(jié)論

當(dāng)前，AD/DC 快充領(lǐng)域正迅速向高功率等級、高功率密度、小型化、全面支持多種通信協(xié)議（包括USB PD）、高性能、低成本等方向發(fā)展。本文探討了一些相關(guān)的發(fā)展趨勢、關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，并介紹了Dialog 最新的基于iW9801 和iW709 芯片組的ZVS 高功率密度USB PD 解決方案。沿著這個(gè)方向，在業(yè)界人士不懈努力創(chuàng)新中，下一代快充技術(shù)必將更上一個(gè)臺階，以更優(yōu)異的產(chǎn)品和方案滿足廣大消費(fèi)者的需求。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年5月期）