USB PD充电器设计系列连载：高效率100W USB-PD方案

围绕装备有主流快充协议USB-PD充电器设计，我们正在进行技术文章的四期连载。系列文章从提高效率、加速产品开发、优化性能、降低整体成本等方面，为大家详细解读。

作为本系列的最终章，我们将为大家介绍效率高达94%的100W USB-PD解决方案。

更大的电池容量和更短的充电时间需求，不断提高对于充电器功率的要求。在小尺寸中实现大功率颇具挑战性，人们为此提出了各种各样的创新方案，包括零电压开关（ZVS）拓扑结构、高性能开关、创新的封装方式以及使用宽禁带材料等，以满足相应设计要求。

本文介绍了一种100W的USB-PD解决方案，并解释了它如何利用电源开关和新型拓扑结构来实现94%的效率和23W/in3的功率密度。

确保高性能的关键：选择合适的拓扑结构

为了达到更高的功率密度，需要选择合适的拓扑结构、规格尺寸和先进的控制技术。纵观当前的大功率移动充电器市场，存在着多种针对大功率USB-PD充电器的解决方案，包括PFC+QR和PFC+LLC。然而，这些解决方案也存在一定局限性，限制了其得到广泛应用，例如：QR无法实现软开关，LLC拓扑结构难以用于可变输出电压设计。

针对上述情况，英飞凌推出了一种新的非对称半桥混合型反激拓扑结构（如图1）。半桥与串联电容器共同驱动传统的反激变压器。反激变压器的主电感和串联电容器形成谐振回路，用于实现半桥开关的ZVS特性，并在反激变压器的常规退磁阶段提供谐振功率传输。在正常运行期间，充电周期和相关功率通过峰值直流电流控制，而退磁阶段通过定时控制，以确保适当的负预磁化，从而满足半桥开关所需的ZVS条件。

图1：非对称半桥反激拓朴的简化示意图

初级侧的电源电路通过LC谐振回路实现，该回路由类似于LLC转换器的半桥驱动。谐振电感器Lr为串联电感，它既可以是变压器漏感，也可以是变压器漏感加外部电感，而Lm则代表变压器主电感。通过将谐振电容器Cr和变压器的初级线圈连接于正节点和半桥中点之间，也可以实现相同的转换效果。当高侧开关HS导通时，能量将存储于Cr和Lm中，并且各自存储的能量将随输入电压和开关频率而变化（如图2所示）。

图2：储能分布和频率变化示意图

当高侧开关HS断开时，变压器中的电流将迫使半桥中点VHB下降，直至低侧开关的体二极管钳位电压为止。然后，低侧开关将在零电压时导通，与此同时，变压器相位反转，能量转移至次级侧。当低侧开关断开时，上一阶段变压器中感应的负电流将迫使半桥中点VHB升高其电压，直至高侧开关HS的体二极管钳位电压为止，类似于上一个阶段。在ZVS条件下，HS打开，而LS关闭，但变压器谐振回路中的电流仍为负，这意味着谐振回路中的多余能量将被送回输入端。

为什么首选混合反激拓扑结构？

与其他反激拓扑结构相比，混合反激变压器需要存储的能量比较少，因此有助于减小充电器的尺寸。

混合反激可以在初级侧实现完全的ZVS，而在次级侧实现完全的ZCS，并且泄漏能量也可以回收，从而提高效率。

如以下公式，输出电压将随占空比变化。对于混合反激式来说，实现宽电压范围的输出要容易得多，由此克服了LLC拓扑结构在宽电压输出应用中的局限性。

英飞凌的100W USB-PD参考设计

完整的解决方案如图3所示。PFC级采用临界导通模式IRS2505和ThinPAK封装IPL60R185C7 CoolMOS™，而DC-DC级则采用数字PWM控制器XDPS2201和IPLK60R360PFD7。同时，BSC028N06NS用作同步整流开关（将来可以换成专门针对充电器同步整流用的低压ISZ0702NLS以进一步提升性价比），协议控制器为CYPD3174，而p-channel MOS BSZ086N03NS3用作输出安全开关。

图3：100W USB-PD解决方案框图

通过这种设置，效率峰值可以达到94%，并且待机功耗低于60mW。

图4：效率和待机功耗曲线

最高效率：选择适当的高压MOSFET至关重要

软开关技术使器件能够在ZVS下运行，即MOSFET仅在其漏源电压达到0V（或接近于0V）后才导通。这种策略可以消除器件的导通损耗，而导通损耗通常是造成总开关损耗的主要因素。遗憾的是，由于输出电容的“非无损”特性，所有高压SJ MOSFET都会遭受另外一种损耗，即在MOSFET输出电容（Coss）先充电后放电时，都会有部分能量损失。因此，即使在ZVS条件下运行，也无法回收存储于输出电容中的全部能量（Eoss）。这种现象与Coss的滞回特性有关，在执行Coss充电/放电周期时可以借助较大的信号测量观察到这种现象。正因如此，此类损耗通常被称为Coss滞回损耗（Eoss，hys）。

图5：SJ MOSFET的Qoss充电/放电周期

得益于英飞凌先进的SJ技术，CoolMOS™ PFD7系列进一步降低了滞回损耗，从而有助于进一步提高效率。

结论

基于数字XDPS2201的ZVS混合反激式，可以在不同的输入电压和输出电流条件下实现ZVS和ZCS。此外，它还可以回收变压器漏感的能量。高性能的功率MOSFET有助于在60mm x 40mm x 18mm尺寸的100W USB-PD设计实现高达94%的效率。

图6：外形小巧、效率高达94%的英飞凌100W USB-PD参考设计