高效率、高灵活性的USB-PD充电参考设计

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随着USB Type-C商用进程的加速,与之同步推进的USB-PD功率传输协议的发展也步入了快车道。在智能设备的电池容量越来越大的今天,这一基于新的USB接口标准,能够承载更高电流(3A或5A),能够传输高达100W功率,可实现自适应功率调节的协议备受瞩目。各技术供应商也纷纷推出了兼容USB-PD的充电解决方案。

近日,PI公司和Cypress联合推出了一款兼容USB-PD协议的20W AC-DC电源转换器参考设计DER-533。这一参考设计按照USB-PD标准的Profile 2要求,可通过标准3A的USB Type-C线缆提供5V/3A和9V/2.2A的功率传输。我们今天就来仔细剖析一下这个方案。

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【图1:是一个典型的USB-PD充电器解决方案示意图】


从上图中可以看到,在该方案的供电端需要两个核心的芯片:一个是AC/DC电源转换IC,完成交流到直流的功率转换,一个是USB-PD协议控制IC,运行功率传输协议实现充电的智能控制。这两颗器件性能的优劣,直接影响到整体方案的表现。

在上述PI和Cypress推出的参考设计DER-533中,两家公司分别成为了这两个核心器件的供应商。

该参考设计中,AC/DC芯片选用了PI公司的InnoSwitch-CP IC。InnoSwitch-CP采用了PI独有的FluxLink技术实现功率转换的精确控制。传统的AC/DC方案,要么采用性能高但是结构复杂的次级反馈控制电路,要么为了简化复杂度和降低物料成本而采用初级控制电路,但在性能上进行折中。InnoSwitch-CP解决了设计工程师的这个困扰,它通过在初级和次级侧之间的磁感耦合技术,使得AC/DC电源系统既能够具备次级反馈控制电路的性能优势,也能够具有初级反馈控制电路简单性的特点,同时不需要光耦器进行隔离,进一步优化了BOM成本。

InnoSwitch-CP跨接于初次级隔离带之间,同时控制初级主开关管与次级同步整流开关管,可防止两个功率MOSFET发生交越导通,并能够满足隔离元件的所有安规及耐压要求。这也使得该方案具有高效率和高可靠性的特性,它可直接监测充电器的输出端,达到精确的输出电压及电流控制,输出同步整流MOSFET也由此IC直接驱动,从而实现非常简单高效的高可靠性设计。

InnoSwitch-CP可以确保充电过程中保持恒功率输出,在不同输入电压、负载、温度及批量生产条件下输出均能满足优于3%的稳压精度。在高能效表现方面,该器件在其它类似的设计中曾经达到过在整个功率范围内效率均高于90%,且空载功耗低于10 mW的优异特性。

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【图2,PI的InnoSwitch-CP典型AC/DC应用电路】

Cypress的CCG2 USB Type-C控制器在这一参考设计中,运行功率传输协议,在供电和受电设备之间建立自适应的充电流程,以确保整个充电过程的快速可靠。由于其具有可编程的特性,用户可以方便地通过更新固件,以适应USB-IF 规范的更新修改。

CCG2USB Type-C控制器集成度很高,包含了一个ARM Cortex-M0 处理器及32KB 闪存,集成了Type-C 收发器、终端电阻及系统级的ESD保护电路,并可在出厂前固化满足USB-IF要求的固件程序。同时在能耗方面,CCG2的在进入“深度睡眠”状态时仅消耗2.5μA电流。因此,与PI的InnoSwitch-CP结合之后,使得参考设计能够轻松满足DoE6能效要求,空载功耗低于30 mW。

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【图3,CCG2 USB Type-C控制器框图】

由于PI和Cypress的这两颗器件,都具有较高的集成度和简化的BOM,这使得最终的方案也具有简洁和低成本的特性。这些要素整合在一起,使得该参考设计成为目前我们可见的非常优秀的一款USB-PD充电器解决方案。

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