将USB PD3.1推向240W，解读瑞萨USB PD全范围电压参考设计

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近几年，提升充电效率已经成为移动智能设备的重要卖点，传统USB充电标准已经不能满足用户对充电速度的要求，USB PD技术应运而生。USB PD快充协议是一种通过USB Type-C接口进行高功率输出的充电协议。相比传统的USB充电标准，USB PD能够提供更高的功率输出，从而实现更快的充电速度。并且，USB PD协议支持多种功率挡位，灵活性更高。

 
在今年的进博会上，瑞萨电子展示了一款USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计，提供从“墙到电池”整体解决方案。一般而言，USB PD快充提供的效率都是50-140W。不过，USB-IF协会在介绍USB PD3.1协议时就曾提到，USB PD3.1允许将最大充电功率提升至240W，同时新增28V、36V、48V三组固定输出电压挡位，以及15V-28V、15V-36V、15V-48V三组可调电压挡位（简称AVS）。
 
在这个参考设计里，瑞萨电子将USB PD3.1的功率推向了最高的240W，且参考示例的体积和目前电脑充电器的体积相当。
 

左上角为参考示例的整体显示，体型和当前电脑USB PD快充相当
 
瑞萨电子的USB功率传输系列基于USB功率传输标准 (USB PD) 标准而设计，通过上图也可以看出，这个参考设计拥有多个子单元，包括240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案，240W USB Type-C电池系统参考设计，以及电池电量计评估模块。
 

240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案

在240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案里，使用到的瑞萨电子元器件包括iW9801 ACIDC数字ZVS反激控制器，iW780 USB PD3.1协议IC (支持48V输出)，iW676同步整流控制器和R2A20132交错式PFC控制器。
 
瑞萨电子iW9801 ACIDC数字ZVS反激控制器集成了瑞萨电子的专利自适应零电压开关（ZVS）技术，可实现高效率和低EMI，支持高效回收能源，最大限度地减少热量产生，效率高达94%。
 
iW780 USB PD3.1协议IC一个高度灵活和可编程的AC/DC接口控制器，支持USB供电（PD）3.1和多个D+/D-协议，并且这款IC将协议支持、次级侧调节控制和USB Type-C断开FET控制器集成在一起，用于单端口和多端口充电适配器设计。
 
iW676数字同步整流器可与瑞萨电子的多个初级侧控制器配合使用，采用专有的数字自适应关断控制技术，用MOSFET取代次级侧并联肖特基二极管，以实现高功率密度和低成本。 iW676比其替代的二极管更高效，也比传统的同步整流器更高效。该器件还可结合瑞萨电子独特的有源电压定位（AVP）控制，实现整个旅行适配器的超快速动态负载响应（DLR）和低至20mW的空载功耗，无需添加引脚或外部组件。
 
R2A20132SP控制两个升压转换器，以提供主动功率因数校正。其交错功能通过180度相移来改善输入或输出电容器上的波纹电流。反馈回路开路检测、过流保护内置于R2A20132SP中，可以构成一个具有很少外部部件的高可靠性电源系统。
 

240W USB Type-C电池系统参考设计

在240W USB Type-C电池系统参考设计方案里，主要用到了RAA489300 48V 3-Level Buck (预降压)，RAA489118 28V 2～7S数字双向升降压电池充电IC，'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC)，R9A02G0151 USB PD3.1 ERP Type-C Port Manager (TCPM)。
 
当前，瑞萨电子官网供应的是RAA489301，这是一款3电平降压电压控制器，可在VOUT < VIN/2、VOUT = VIN/2和VOUT > VIN/2之间提供无缝转换。RAA489301支持USB PD适配器，可安全地将其转换为高达24V的稳压输出电压。
 
目前，瑞萨电子官方并不提供RAA489118的相关资料，不过从RAA489110的介绍信息来看，RAA489118也将采用瑞萨电子R3技术，这是一种高效的充电模式。'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC）也是一种降压-升压电池充电器。
 
R9A02G015 是一款基于MCU的Type-C端口管理器 (TCPM)，它是通用串行总线 (USB) 供电 (PD) 系统的重要组成部分。 R9A02G015实现了TCPM–USB PD策略引擎功能，符合USB PD 3.1规范。
 

电池电量计评估模块

在电池电量计评估模块里主要用到了RAJ240100 2～10S电池电量计 (Fuel Gauge) IC。RAJ240100包括单个封装的MCU器件和AFE器件各一个。这些器件具备多种电池管理功能，搭载瑞萨电子RL78 CPU内核，该内核具有多种低功耗模式，可在超低功耗运行中发挥高性能。RAJ240100支持多达10个串联的锂离子或锂聚合物电池。
 
除了上述这些器件，在瑞萨电子的USB功率传输系列里还包括ISL95338双向降压电压调节器、ISL9241降压-升压可配置电池充电器等。瑞萨电子工作人员表示，USB功率传输系列方面，瑞萨电子是当前市场上为数不多能够提供全套解决方案的公司。USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计可用于电动助力车、吸尘器、PD充电器等市场。
 

结语

USB PD技术的应用范围非常广泛。除了手机、平板等移动设备之外，它还可以用于笔记本电脑、显示器等大功率设备的充电。随着消费者对充电效率的要求越来越高，瑞萨电子USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计给出了一个很好的升级方向，并且得益于GaN功率器件的使用，这个参考设计的体型并不大，具有很好的便携性。