【導(dǎo)讀】通用串行總線(USB)規(guī)格的最新迭代版本USB 3.1第2代有望改變IT、消費(fèi)、工業(yè)及通用嵌入式電子設(shè)備交換數(shù)據(jù)和供電的方式。再加之Type-C連接器，它就能夠替代許多其它形式的有線連接，而且它已經(jīng)在便攜式消費(fèi)設(shè)備領(lǐng)域呈現(xiàn)迅速增長之趨。
這可能與該規(guī)格的供電（PD）方面最為相關(guān)。隨著Type-C連接器用于更多設(shè)備，用戶對(duì)供電潛能的意識(shí)也將會(huì)增加。
短期內(nèi)，預(yù)計(jì)USB-PD將在離線電源適配器中得以實(shí)施，且最有可能用于高端筆記本電腦，這也符合提供更高電源轉(zhuǎn)換能效的趨勢。預(yù)計(jì)至2020年，約半數(shù)筆記本電腦適配器都將采用USB-PD。制造商還希望能夠優(yōu)化電器的電源適配器，這可能意味著輸出功率在27至100W之間，這也會(huì)影響設(shè)計(jì)。因此如果制造商要生產(chǎn)各種不同輸出功率水平的適配器，能夠提供設(shè)計(jì)靈活性的單一方案將成為首選。
電源轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)
從交流（AC）轉(zhuǎn)到直流（DC）涉及到轉(zhuǎn)換，且不可避免地會(huì)造成相關(guān)損耗，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力減少這樣的損耗。當(dāng)前存在許多電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般而言，當(dāng)將成本視為主要問題且能效并不太重要時(shí)，可采用初級(jí)端穩(wěn)壓（PSR）反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)輸出功率要求相對(duì)較低且無需嚴(yán)格的輸出電壓穩(wěn)壓時(shí)。當(dāng)需要更高輸出功率時(shí)，為獲得更高的能效和更佳的性能，通常首選次級(jí)端穩(wěn)壓（SSR）準(zhǔn)諧振（QR）反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
在主電源變壓器之后進(jìn)行的此形式的輸出整流，一直用二極管作為開關(guān)（圖1），然而這也有能效問題，主要是由于在二極管的PN結(jié)上經(jīng)歷了正向壓降。這通常約為0.7 V，盡管通常采用肖特基二極管可將壓降降至更接近0.3 V，但這仍是損耗。
圖1：次級(jí)端采用二極管整流的經(jīng)典反激式固定輸出電壓電源轉(zhuǎn)換方案
現(xiàn)代高功率密度USB-PD適配器如今通過采用低導(dǎo)通電阻MOSFET來避免二極管相關(guān)損耗（圖2）。
圖2：基于使用MOSFET作為輸出開關(guān)的次級(jí)端同步整流的USB-PD電源適配器
雖然這提供了能效增益，但復(fù)雜性也隨之而來。使用晶體管而非二極管的做法稱為次級(jí)端同步整流，為了從這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中獲益，設(shè)計(jì)人員需要添加一個(gè)控制器，在正確的時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷晶體管。更為復(fù)雜的是，各種SR控制器都可用，可基于應(yīng)用程序提供不同的特性與優(yōu)勢。
用于USB-PD的SR控制器
相較于采用肖特基二極管，使用一個(gè)低RDS（on）（約5至10mΩ）MOSFET也能顯著提高次級(jí)端輸出整流的能效，從而有望實(shí)現(xiàn)高于93％的峰值能效。
MOSFET的開關(guān)時(shí)序現(xiàn)已成為關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)通和關(guān)斷延遲會(huì)直接影響整體能效。由于控制器決定了MOSFET的狀態(tài)，因此在選擇合適的控制器時(shí)，由控制器引起的切換延遲時(shí)間就成為了需要考量的關(guān)鍵參數(shù)。
在USB-PD應(yīng)用中，反激式電源通常設(shè)計(jì)為以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）或準(zhǔn)諧振（QR）模式工作。在CCM中，SR控制器需要非常快速地關(guān)斷MOSFET，以避免在初級(jí)端造成任何擊穿，有效地在初級(jí)端和次級(jí)端之間建立直接通路，這會(huì)導(dǎo)致功率MOSFET可能出現(xiàn)非常高的瞬時(shí)電流。圖3顯示了典型的電路配置，其中M1位于初級(jí)端，M2（同步整流MOSFET）位于次級(jí)端。
圖3：開關(guān)模式電源示例，顯示了初級(jí)和次級(jí)端晶體管
在此配置中，必須在M1導(dǎo)通之前快速關(guān)斷M2。為滿足100W的USB-PD規(guī)格，所選的同步整流MOSFET需要具有足夠低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，以應(yīng)對(duì)所需輸出電壓需要的電流水平，還要做到最低程度的熱損耗，以避免內(nèi)部適配器溫度升至過高水平，這反過來又受到控制器降低電流以確保MOSFET能夠在最短時(shí)間內(nèi)關(guān)斷能力的影響。
要確定何時(shí)關(guān)斷MOSFET，涉及到測量器件漏極至源極端的電壓。如果控制器實(shí)施直接感測（Direct Sensing），則可以通過很少的附加元件來實(shí)現(xiàn)；如果控制器沒有實(shí)施直接感測，則需要額外的外部元件，這不僅增加了總成本，而且本身會(huì)引發(fā)額外的延遲，從而降低整體能效。直接感測可避免這種潛在的低能效，且在導(dǎo)通和關(guān)斷期間都可用。典型情況下，控制器的直接感測引腳需要承受120 V或更高的電壓以用于USB-PD應(yīng)用，為瞬態(tài)和異常情況下的瞬時(shí)電壓尖峰提供足夠的余量。
應(yīng)對(duì)功率需求的增加，涉及到導(dǎo)通MOSFET，因此在這種情況下，導(dǎo)通時(shí)間延遲至關(guān)重要；如果速度太慢，所需電流將流過MOSFET的體二極管而非其溝道，導(dǎo)致無謂的功率損耗和能效下降。
USB-PD適配器的另一個(gè)重要考量是符合輕負(fù)載和待機(jī)功耗限制，如CoC Tier 2和DoE 6級(jí)。多數(shù)地區(qū)都已采用這些或同等標(biāo)準(zhǔn)。無負(fù)載時(shí)，電源需要能夠檢測到這一點(diǎn)，同時(shí)仍能向控制電路（例如USB協(xié)議芯片）供電，但仍然保持低于0.075瓦的輸入功率。可檢測到此情況并進(jìn)入輕負(fù)載模式的SR控制器能夠幫助制造商滿足這些要求。
集成、穩(wěn)健的方案
選擇滿足所有這些要求的次級(jí)端同步整流器控制器需要仔細(xì)考量可用的方案。如前所述，根據(jù)應(yīng)用，適配器設(shè)計(jì)將針對(duì)特定的輸出功率進(jìn)行優(yōu)化。可提供這種靈活水平的控制器能夠用于多種適配器，通過能提供可調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)間的控制器就能實(shí)現(xiàn)，時(shí)間可在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定。
安森美半導(dǎo)體的NCP4306旨在為上述所有領(lǐng)域提供同類領(lǐng)先的性能。它提供30 ns的導(dǎo)通時(shí)間和僅13 ns的關(guān)斷時(shí)間，最大化了同步整流器MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，同時(shí)消除了與初級(jí)端開關(guān)交叉導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。它在設(shè)計(jì)上還能夠承受高達(dá)200V的直接感測電壓。在7A的匯電流下，控制器可輕松驅(qū)動(dòng)小于10mΩ的導(dǎo)通電阻MOSFET，并滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，使USB-PD電源適配器能夠在高達(dá)100W的條件下工作。
NCP4306在設(shè)計(jì)上除了用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)過試驗(yàn)和測試的中壓MOSFET之外，還有一種可用于驅(qū)動(dòng)氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT），能夠比MOSFET更快地開關(guān)。該同步整流器控制器可為GaN提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓（典型值為5 V），而不會(huì)對(duì)其門極造成過壓，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生故障。這使其適用于在QR模式下，甚至有源鉗位反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中工作的超高密度電源適配器。該同步整流控制器的最大工作頻率高達(dá)1 MHz。圖3顯示了典型應(yīng)用中的NCP4306。與可實(shí)現(xiàn)高達(dá)500 kHz的高頻QR主控制器NCP1342一同使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)峰值能效達(dá)到93.5％且功率密度接近20W/in3的USB-PD適配器設(shè)計(jì)。
該器件內(nèi)部包含用于設(shè)置最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間消隱周期的模塊（見圖4），以對(duì)抗由PCB布局和其他寄生元件引起的振鈴，如上所述，這可能導(dǎo)致無謂的體二極管導(dǎo)通。兩個(gè)時(shí)序參數(shù)都可通過外部電阻進(jìn)行調(diào)整，從而為所需的功率輸出和選定的功率元件優(yōu)化設(shè)計(jì)。輕負(fù)載檢測（LLD）模塊可檢測輸出負(fù)載降低時(shí)電源在跳周期模式下工作時(shí)的開關(guān)脈沖頻率降低，并將同步整流器控制器放入禁用模式。該控制器在該狀態(tài)下消耗的電流非常低（通常為37 mA），從而使USB-PD電源適配器能夠符合或綽綽有余地超過CoC Tier 2要求。
圖5顯示了控制直接感測功能的內(nèi)部電路。一旦連接到開關(guān)漏極端CS引腳上的電壓低于VTH_CS_ON閾值，同步整流器MOSFET M1就會(huì)導(dǎo)通。一旦CS引腳上的電壓高于VTH_CS_OFF（通常為0.5 mV），MOSFET就會(huì)關(guān)斷。 NCP4306的直接感測模塊內(nèi)還配備了dV / dt斜率檢測器，以區(qū)分閑置狀態(tài)下的諧振振鈴和實(shí)際主開關(guān)導(dǎo)通的情況。這對(duì)于具有不同輸出電壓和負(fù)載曲線的USB-PD設(shè)計(jì)尤為重要，且有助于確保控制器在需要之時(shí)可激活MOSFET。
圖4：NCP4306內(nèi)部模塊框圖
圖5：NCP4306實(shí)施直接感測，可承受高達(dá)200 V的電壓
結(jié)論
在可預(yù)見的未來，使用Type-C連接器通過USB供電預(yù)計(jì)將主導(dǎo)電源適配器的設(shè)計(jì)，其在許多應(yīng)用領(lǐng)域的采用已經(jīng)非常突出，它的多功能性意味著它將成為制造商和消費(fèi)者的首選方案。
選擇正確的SR控制器對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的適配器至關(guān)重要，這樣的適配器不僅符合能效法規(guī)，還能滿足消費(fèi)者的嚴(yán)苛要求。NCP4306代表了新一代SR控制器中首款能夠提供這個(gè)級(jí)別的性能和靈活性的產(chǎn)品。
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