【導(dǎo)讀】更大容量電池需具備相同或更快充電時(shí)間的趨勢(shì)正在加速USB-C PD的采用。在設(shè)計(jì)USB PD適配器和充電器時(shí)，要滿足COC V5 Tier2等最新的能效標(biāo)準(zhǔn)，并考慮小型化設(shè)計(jì)以配合移動(dòng)便攜式設(shè)備等輕薄短小但功能豐富多樣的趨勢(shì)。
安森美(onsemi)最近推出的65 W高頻準(zhǔn)諧振(QR)USB PD適配器和快充參考設(shè)計(jì)支持PD 3.0、PPS、BC 1.2等多種快充協(xié)議，平均能效近92%，遠(yuǎn)超COC V5 Tier2標(biāo)準(zhǔn)，且尺寸僅50 mm x 50 mm x 28 mm，是智能手機(jī)快充、筆記本電腦適配器等應(yīng)用的理想選擇。
圖1：65 W高頻QR USB PD適配器和快充方案
該設(shè)計(jì)集成安森美的NCP1345高頻QR反激式脈寬調(diào)制(PWM)控制器、超級(jí)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。
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(jì)在264 VAC、滿載的情況下，頻率達(dá)190 KHz，還可內(nèi)置氮化鎵(GaN)以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，降低損耗。NCP1345 QR反激式拓?fù)?，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(gè)谷底，隨著負(fù)載的進(jìn)一步降低，在空載和輕載時(shí)，NCP1345進(jìn)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(shí)現(xiàn)領(lǐng)先市場(chǎng)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(dòng)電路可有效降低次級(jí)的電壓應(yīng)力。配以NCP4307同步整流控制器，不僅可實(shí)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(shí)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(jì)的外設(shè)，無(wú)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(gè)最佳的系統(tǒng)方案，可輕松地根據(jù)特定的應(yīng)用需求進(jìn)行定制，完整的嵌入式固件方案，含先進(jìn)的功率共享算法，有效地優(yōu)化系統(tǒng)總功耗。
能效測(cè)試
我們測(cè)試了該65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在115 VAC(藍(lán)色曲線)和230 VAC(紅色曲線)輸入電壓的平均能效和輕載(10%負(fù)載)能效，從下面曲線圖可看到都遠(yuǎn)高于COC V5 Tier 2平均能效標(biāo)準(zhǔn)和COC V5 Tier 2輕載能效標(biāo)準(zhǔn)，在輸出5 V電壓時(shí)的待機(jī)功耗低于45 mW，遠(yuǎn)優(yōu)于能效標(biāo)準(zhǔn)。
圖3：能效曲線
安全保護(hù)功能和限功率電源(LPS)測(cè)試
該65 W高頻QR USB PD方案集成豐富的安全和保護(hù)功能，包括：精密的過壓保護(hù)(OVP)、過流保護(hù)(OCP)、短路保護(hù)(SCP)、開環(huán)保護(hù)、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(cè)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(gè)固定電壓檔位，LPS標(biāo)準(zhǔn)要求在輸出5 V 3 A, 9 V 3 A, 12 V 3 A時(shí)最大短路電流為8 A，在輸出15 V 3 A時(shí)最大短路電流為6.67 A，在 輸出20 V 3.25 A時(shí)最大短路電流為5 A。符合LPS標(biāo)準(zhǔn)的電源向負(fù)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(xiǎn)。
性能測(cè)試
經(jīng)測(cè)試，該65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在各種負(fù)載條件下的紋波和噪聲都低于80 mV，動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定，EMI和熱性能優(yōu)良。
圖4：65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在90 VAC時(shí)的紋波
圖5：65 W高頻QR USB PD適配器參考設(shè)計(jì)熱成像
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