具有片上USB PD控制器的反激式开关IC

Power Integrations 推出了 InnoSwitch3-PD 系列集成电路，可为 USB Type-C、USB 供电 (PD) 和 USB 可编程电源 (PPS) 适配器提供效率和集成。该器件包括一个 USB-C 和 PD 控制器、一个高压 PowiGaN 开关、一个多模准谐振 (QR) 反激式控制器、次级侧感测、FluxLink 隔离式数字反馈和一个同步整流驱动器。

Power Integrations 培训总监 Andy Smith 讨论了设计人员如何根据市场预期从功率密度中寻求最大性能，从而需要更深入地集成和优化热管理以最大程度地减少过热。据 Smith 称，InnoSwitch3 系列中的最新型号简化了材料清单，更容易构建小型 USB PD 电源并减少额外组件。

电源供应

市场一直在寻求效率。消费者要求快速充电，但与此同时，他们想要能够承受更高功率密度的更小充电器。GaN 技术的实施使得通过充分利用其热特性来减少散热器成为可能。除了 GaN 之外，在谈论电源效率时要考虑的另一个因素是开关频率。PowiGaN开关无需散热器或散热器即可提高效率。“与此同时，InnoSwitch3 设备引入了热折返，没有角落情况限制和快速充电的峰值功率，”史密斯说。通过增加开关频率 (>300 kHz)，可以减小变压器尺寸，但是这个过程会产生 通过引入其他组件来减轻这些影响，实际反激实现中的热、EMI 和效率问题。

当开关芯片面积增加以最小化 R DS(on)（传导损耗）时，开关损耗会增加。不同的硅晶体管技术竞相降低器件的综合损耗——超级结、垂直和横向。另一方面，GaN 通过大幅降低开关损耗和传导损耗来提高充电和适配器开关效率。

Smith 认为，采用 InnoSwitch3-PD IC 的电源设计满足全球所有的能效要求，空载功耗仅为 14 mW。这些设备的高效率保证了最小的散热，避免了对大型散热器的需要。Power Integrations 的 FluxLink 高速通信反馈链路可确保快速、准确的次级侧调节。除了输入电压监控、精确的掉电/掉电和过压保护，以及输出过压和欠压错误检测以及单独可调的错误响应之外，InnoSwitch3-PD IC 还受到完全保护（图 1）。

图 1：典型应用和 IC（来源：Power Integrations）

InnoSwitch3-PD

在一个设备中，InnoSwitch3-PD 集成了一个具有主侧和副侧控制的高压电源开关。该设计使用基于封装引线框架和键合线的独特电感耦合反馈技术，以提供一种安全、可靠和低成本的方法，将次级 IC 的输出电压和输出电流的精确直接感应传送到初级 IC。在 InnoSwitch3-PD 上，主控制器是一个 QR 反激控制器，可以在连续导通模式下工作。控制器使用变频和变流控制方法。一个频率抖动振荡器、一个与次级控制器磁耦合的接收器电路、一个限流控制器、一个 5V 稳压器、一个用于轻载运行的音频降噪引擎、一个旁路过压检测电路、无损输入线路检测电路、限流选择电路、过热保护和前沿消隐都包含在主控制器中。InnoSwitch3-PD 次级控制器包括一个磁耦合发射器电路、一个用于控制电源参数和遥测功能的 I2C 接口、一个 4.4V 稳压器、一个同步整流 FET 驱动器、一个 QR 模式电路、一个振荡器和定时功能以及一个多种集成保护功能（图 2 和 3）。

图 2：InnoSwitch3 的主控制器框图（来源：Power Integrations）

图 3：InnoSwitch3 的次级控制器框图（来源：Power Integrations）

参考设计

在采访中，Smith 重点介绍了两个参考设计：使用 InnoSwitch3-PD INN3879C-H803 的 45-W USB PD 3.0 电源和使用 InnoSwitch3-PD INN3879C-H801 的 60-W USB PD 3.0 电源。两者都显示在图 4 中。它们的原理图在图 5 和图 6 中可视化。

图 4：参考设计（来源：Power Integrations）

图 5：45W USB PD 3.0 原理图（来源：Power Integrations）

图 6：60W USB PD 3.0 原理图（来源：Power Integrations）

电源的输入侧主要由输入保险丝 F1 组成，用于隔离电路并保护其免受组件故障的影响。当输入交流电源连接时，NTC 热敏电阻 RT1 控制浪涌电流。整流后的直流总线连接到变压器初级的一端，而 InnoSwitch3-PD IC 内开关的漏极端子连接到另一端。

输入电压检测由电阻器 R4 和 R5 提供，可防止交流输入的欠压或过压。反激变压器 T1 的初级绕组一端连接到整流直流总线，另一端连接 InnoSwitch3-PD IC U1 内开关的漏极端子。InnoSwitch3-PD IC 的次级侧具有输出电压和电流检测功能，以及用于同步整流的 FET 栅极驱动器。

　　审核编辑：汤梓红