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(zhǎng)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(shì)。預(yù)計(jì)至 2025 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。

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)。

如果控制器實(shí)施直接感測(cè)(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(cè)，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。典型情況下，控制器的直接感測(cè)引腳需要承受 120V 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(cè)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?？蓹z測(cè)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?？商峁┻@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 30ns 的導(dǎo)通時(shí)間和僅 13ns 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(cè)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(cè)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 5V)，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) 1MHz。與可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 500kHz 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，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(cè)(LLD)模塊可檢測(cè)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 37mA)，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。

控制直接感測(cè)功能的內(nèi)部電路顯示。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 0.5mV)，MOSFET 就會(huì)關(guān)斷。NCP4306 的直接感測(cè)模塊內(nèi)還配備了 dV/dt 斜率檢測(cè)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?？刂破髟谛枰畷r(shí)可激活 MOSFET。

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。