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小外形,遠超能效標準!65W高頻準諧振USB PD適配器和快充方案

發(fā)布時間:2022-05-18 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】更大容量電池需具備相同或更快充電時間的趨勢正在加速USB-C PD的采用。在設(shè)計USB PD適配器和充電器時,要滿足COC V5 Tier2等最新的能效標準,并考慮小型化設(shè)計以配合移動便攜式設(shè)備等輕薄短小但功能豐富多樣的趨勢。


安森美(onsemi)最近推出的65 W高頻準諧振(QR)USB PD適配器和快充參考設(shè)計支持PD 3.0、PPS、BC 1.2等多種快充協(xié)議,平均能效近92%,遠超COC V5 Tier2標準,且尺寸僅50 mm x 50 mm x 28 mm,是智能手機快充、筆記本電腦適配器等應(yīng)用的理想選擇。


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圖1:65 W高頻QR USB PD適配器和快充方案


該設(shè)計集成安森美的NCP1345高頻QR反激式脈寬調(diào)制(PWM)控制器、超級結(jié)MOSFET、NCP4307同步整流控制器和FUSB15101 PD控制器,支持90 VAC至264 VAC輸入電壓范圍,輸出電壓3.3 V至21 V。


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圖2:65 W高頻QR USB PD適配器和快充方案電路原理圖


提高工作頻率可縮小電源尺寸,該設(shè)計在264 VAC、滿載的情況下,頻率達190 KHz,還可內(nèi)置氮化鎵(GaN)以進一步提高開關(guān)頻率,降低損耗。NCP1345 QR反激式拓撲,采用專有的谷底鎖定電路,確保穩(wěn)定的谷底開關(guān),直至第6個谷底,隨著負載的進一步降低,在空載和輕載時,NCP1345進入Quiet Skip和反激式非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),然后過渡到頻率反走模式,以減少開關(guān)損耗,提高空載和輕載能效。


谷底鎖定和Quiet Skip實現(xiàn)領(lǐng)先市場的噪聲性能,且由于波形的諧波含量降低,電磁干擾(EMI)性能也得以改善,這可減少所需的EMI濾波器,從而降低成本。內(nèi)置自適應(yīng)的驅(qū)動電路可有效降低次級的電壓應(yīng)力。配以NCP4307同步整流控制器,不僅可實現(xiàn)用MOSFET取代二極管整流器,從而降低整流器兩端壓降和導(dǎo)通損耗,實現(xiàn)更高的系統(tǒng)能效,還降低寄生振鈴和系統(tǒng)噪聲,提高可靠性。


FUSB15101 USB Type-C和PD控制器集成了高效的Arm? Cortex?-M0+處理器和定制設(shè)計的外設(shè),無縫支持USB PD 3.0應(yīng)用,整合了電源端口的所有要求,提供一個最佳的系統(tǒng)方案,可輕松地根據(jù)特定的應(yīng)用需求進行定制,完整的嵌入式固件方案,含先進的功率共享算法,有效地優(yōu)化系統(tǒng)總功耗。


能效測試


我們測試了該65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計在115 VAC(藍色曲線)和230 VAC(紅色曲線)輸入電壓的平均能效和輕載(10%負載)能效,從下面曲線圖可看到都遠高于COC V5 Tier 2平均能效標準和COC V5 Tier 2輕載能效標準,在輸出5 V電壓時的待機功耗低于45 mW,遠優(yōu)于能效標準。


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圖3:能效曲線


安全保護功能和限功率電源(LPS)測試


該65 W高頻QR USB PD方案集成豐富的安全和保護功能,包括:精密的過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、短路保護(SCP)、開環(huán)保護、X2電容放電等。


而且,該65 W USB PD方案在PDO和PPS協(xié)議下都符合LPS要求,測試結(jié)果見下表。PDO支持5 V 3 A、9 V 3 A、12 V 3 A、15 V 3 A、20 V 3.25 A五個固定電壓檔位,LPS標準要求在輸出5 V 3 A, 9 V 3 A, 12 V 3 A時最大短路電流為8 A,在輸出15 V 3 A時最大短路電流為6.67 A,在 輸出20 V 3.25 A時最大短路電流為5 A。符合LPS標準的電源向負載輸送的輸出電壓、輸出電流和輸出功率都在要求以內(nèi),從而避免引發(fā)觸電和火災(zāi)等危險。


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性能測試


經(jīng)測試,該65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計在各種負載條件下的紋波和噪聲都低于80 mV,動態(tài)性能穩(wěn)定,EMI和熱性能優(yōu)良。


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圖4:65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計在90 VAC時的紋波


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圖5:65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計熱成像



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