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小外形,远超能效标准!65W高频准谐振USB PD适配器和快充方案

发布时间:2022-05-18 来源:安森美 责任编辑:wenwei

【导读】更大容量电池需具备相同或更快充电时间的趋势正在加速USB-C PD的采用。在设计USB PD适配器和充电器时,要满足COC V5 Tier2等最新的能效标准,并考虑小型化设计以配合移动便携式设备等轻薄短小但功能丰富多样的趋势。


安森美(onsemi)最近推出的65 W高频准谐振(QR)USB PD适配器和快充参考设计支持PD 3.0、PPS、BC 1.2等多种快充协议,平均能效近92%,远超COC V5 Tier2标准,且尺寸仅50 mm x 50 mm x 28 mm,是智能手机快充、笔记本电脑适配器等应用的理想选择。


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图1:65 W高频QR USB PD适配器和快充方案


该设计集成安森美的NCP1345高频QR反激式脉宽调制(PWM)控制器、超级结MOSFET、NCP4307同步整流控制器和FUSB15101 PD控制器,支持90 VAC至264 VAC输入电压范围,输出电压3.3 V至21 V。


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图2:65 W高频QR USB PD适配器和快充方案电路原理图


提高工作频率可缩小电源尺寸,该设计在264 VAC、满载的情况下,频率达190 KHz,还可内置氮化镓(GaN)以进一步提高开关频率,降低损耗。NCP1345 QR反激式拓扑,采用专有的谷底锁定电路,确保稳定的谷底开关,直至第6个谷底,随着负载的进一步降低,在空载和轻载时,NCP1345进入Quiet Skip和反激式非连续导通模式(DCM),然后过渡到频率反走模式,以减少开关损耗,提高空载和轻载能效。


谷底锁定和Quiet Skip实现领先市场的噪声性能,且由于波形的谐波含量降低,电磁干扰(EMI)性能也得以改善,这可减少所需的EMI滤波器,从而降低成本。内置自适应的驱动电路可有效降低次级的电压应力。配以NCP4307同步整流控制器,不仅可实现用MOSFET取代二极管整流器,从而降低整流器两端压降和导通损耗,实现更高的系统能效,还降低寄生振铃和系统噪声,提高可靠性。


FUSB15101 USB Type-C和PD控制器集成了高效的Arm® Cortex®-M0+处理器和定制设计的外设,无缝支持USB PD 3.0应用,整合了电源端口的所有要求,提供一个最佳的系统方案,可轻松地根据特定的应用需求进行定制,完整的嵌入式固件方案,含先进的功率共享算法,有效地优化系统总功耗。


能效测试


我们测试了该65 W高频QR USB PD适配器参考设计在115 VAC(蓝色曲线)和230 VAC(红色曲线)输入电压的平均能效和轻载(10%负载)能效,从下面曲线图可看到都远高于COC V5 Tier 2平均能效标准和COC V5 Tier 2轻载能效标准,在输出5 V电压时的待机功耗低于45 mW,远优于能效标准。


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图3:能效曲线


安全保护功能和限功率电源(LPS)测试


该65 W高频QR USB PD方案集成丰富的安全和保护功能,包括:精密的过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、开环保护、X2电容放电等。


而且,该65 W USB PD方案在PDO和PPS协议下都符合LPS要求,测试结果见下表。PDO支持5 V 3 A、9 V 3 A、12 V 3 A、15 V 3 A、20 V 3.25 A五个固定电压档位,LPS标准要求在输出5 V 3 A, 9 V 3 A, 12 V 3 A时最大短路电流为8 A,在输出15 V 3 A时最大短路电流为6.67 A,在 输出20 V 3.25 A时最大短路电流为5 A。符合LPS标准的电源向负载输送的输出电压、输出电流和输出功率都在要求以内,从而避免引发触电和火灾等危险。


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性能测试


经测试,该65 W高频QR USB PD适配器参考设计在各种负载条件下的纹波和噪声都低于80 mV,动态性能稳定,EMI和热性能优良。


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图4:65 W高频QR USB PD适配器参考设计在90 VAC时的纹波


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图5:65 W高频QR USB PD适配器参考设计热成像



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