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USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准

发布时间:2021-01-20 责任编辑:wenwei

【导读】在计划写本篇博客时,我在谷歌趋势中输入了“Type-C”。如图1所示,自2015年以来对这一词语的兴趣一直在上升。USB Type-C设备在现实世界中也越来越流行,许多流行的手机和平板电脑采用USB Type-C接口。我预计在未来几年采用USB Type-C接口的产品将迅速增加。
 
USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准
图1:谷歌趋势上的兴趣走势图(关键词:Type-C)
 
USB Type-C设备在现实世界中也越来越流行,许多流行的手机和平板电脑采用USB Type-C接口。我预计在未来几年采用USB Type-C接口的产品将迅速增加。
 
为什么功率为15W(5V3A)?
 
除了具有正反都可插的插头,USB Type-C可提供比以往任何USB版本更大的功率。虽然对于USB 3.1和USB充电,USB Type-C可支持高达100W的功率,但是系统设计者必须仔细选择功能,保持合理的整体成本。
 
USB Type-C接口采用了15W功率,是标准USB 2.0充电速率的六倍。
 
对于大多数智能手机和平板电脑,15W已经足够,而且成本合理。 
 
二极管整流和PSR被广泛用于电流低于2A的适配器
 
以前的手机电源适配器的正常的功率为5V/2A或更低。因为简单,可以去除光隔离器和可编程基准,初级侧调节(PSR)常常用于AC/DC转换。因为负载电流不高,在这个功率水平上使用了二极管整流器。图2为带二极管整流的简化PSR电路图。
 
简化电路图
 
USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准
图2:带二极管整流的UCC28704典型应用电路
 
同步整流(SR)是解决5V/3A适配器PSR设计挑战的最佳选择
 
PSR消除了对次级侧反馈元件和光学耦合器的需求,从而节省了成本。然而,采用PSR+SR的设计并不像只使用PSR一样简单。
 
大多数PSR控制器会在次级二极管的电流变为零时检测的拐点辅助线圈的电压,因为辅助线圈上的电压最接近VOUT/Na,其中Na是辅助线圈与次级线圈的比率。
 
如果使用SR,在次级导通时间结束后,体二极管导通时辅助线圈上会发生电压凸点,请参考图3。这凸点将影响对PSR检测机制,引起稳定性问题,可能表现为异常纹波。
 
USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准
图3:辅助线圈电压波形细节
 
如何稳定PSR+SR
 
为了稳定PSR + SR,UCC28704(PSR控制器)数据表可以让SR驱动器稳定工作变得更简单,需要仔细设计的参数有tBW、tDMAG和工作频率。其中tBW是SR凸点宽度,tDMAG是次级整流器导通时间。
 
当使用带有SR的UCC28704时,决定最大开关频率的关键参数是基于tDMAG(min)确定的。tDMAG(min)需要大于2.45μs,包括750ns的SR凸点宽度(tBW)。内部电路需要750ns(tBW)过滤掉VS引脚波形上检测到的由MOSFET体二极管导通引起的SR凸点变化。
 
在恒流工作的起始点测得的相应开关频率不应大于55kHz。
 
采用UCC28704(PSR控制器)和UCC24636(SR控制器)的5V/3A设计
 
根据上述指导原则,我设计了如图4所示的5V/3A电路板。其纹波低于150mV,效率曲线如图5所示。
 
USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准
图4:符合OE6和COC V5 Tier 2标准的TI Design通用交流输入至5V/3A输出参考设计电路原理图
 
USB充电器的过去与现在:Type-C达到能源效率标准
图5:效率曲线
 
在115VAC和230VAC输入的150mΩ电缆端测量的四点平均效率分别为83.4%和83.2%。
 
COC Tier 2 2016标准要求为满载时效率为81.8%,10%负载时效率为72.5%。
 
该电路板可以满足CoC Tier2标准合规要求,即使使用150mΩ电缆也足以满足标准。
 
总结
 
遵循UCC28704数据表中的指导原则,可以克服这些限制,制作出低成本的PSR + SR设计,同时对USB Type-C适配器具有足够高的效率。
 
 
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