安森美半导体携手伟诠电子推出全新世界级的高能效、高密度USB PD电源适配器方案

发布时间:2018年11月19日 15:11    发布者:eechina
关键词: USB PD , 电源适配器 , NCP1568
USB标准在不断演进,能效法规也在日趋严格。领先的电源半导体供应商安森美半导体利用在电源半导体领域的专长和伟诠在USB PD领域的领先技术,推出一系列高能效、高密度的USB PD电源适配器,满足市场需求,符合并超越能效标准,如最近的65 W 超高密度USB PD适配器方案,支持USB Type-C接口PD 3.0和高通Qualcomm Quick® Charge 3.0TM Class A快充协议,最新的90 W 高密度USB PD适配器方案支持USB Type-C接口PD 3.0、QC4.0和PPS协议,采用有源钳位反激(ACF) 拓扑,使用行业标准的超结FET,功率密度分别为30 W/in^3和20.8 W/in^3,峰值能效分别超过94%和92%。

USB PD、QC 3.0和QC 4.0简介

USB PD全称USB Power Delivery,即USB功率传输协议,支持同时进行数据通信和高达100 W的电力传输。

QC 3.0是高通第三代快充技术,其支持的总线电压(VBUS) 范围,Class A为3.6 V至12 V,Class B为3.6 V至20 V。高通的快充技术如今已发展到第四代即QC4.0,同时支持USB PD。

先进的控制器和驱动器提供高能效、紧凑的ACF USB PD适配器方案

安森美半导体的65 W和90 W ACF USB PD适配器方案是现代电源适配器和电池充电器设计的重大进步。使用在65 W ACF USB PD 适配器中的核心芯片NCP1568 和NCP51530还获《今日电子》(EPC)与21IC中国电子网 (21ic.com)评选为2018年度Top 10电源产品奖,这是电子业备受认同的确定创新/高品质产品的一个基准。

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图1:紧凑的ACF USB PD适配器方案(65 W:左一、二;90 W:右)

这两款ACF USB PD适配器方案都涵盖5V 到 20V的PD 3.0规格和3.6 V至12 V/3 A的QC 3.0 Class A规格,用于需要兼容USB-PD或高通Quick Charge™规格的笔记本电脑、平板电脑和其他便携式设备。其中65 W ACF USB PD适配器方案集成安森美半导体的ACF控制器NCP1568、高速半桥驱动器NCP51530、同步整流控制器NCP4305、伟诠的WT6615F PD控制器,采用行业标准的超级结(SJ) FET,占板尺寸仅1.66” x 1.78” x 0.70”,功率密度达30 W/in^3;90 W ACF USB PD适配器方案集成安森美半导体的功率因数校正(PFC)控制器NCP1622、ACF控制器NCP1568、高速半桥驱动器NCP51530、同步整流控制器NCP4306、伟诠的WT6615F PD控制器,采用行业标准的 SJ FET,占板尺寸仅2.48” x 2.48” x 0.82”,功率密度达20.8 W/in^3。

90 W ACF USB PD适配器方案中还采用升压跟随电路,提升PFC控制性能,并能提升低工作电压效率。

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图2:90 W USB PD电源适配器方案框图

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图3:NCP1568、NCP51530、WT6615F示意图

NCP1568是一款高度集成的AC-DC脉宽调制(PWM)控制器,采用ACF拓扑结构,包含零电压开关(ZVS),用于要求高功率密度和高能效的高频应用(高达1 MHz)。它能够无缝过渡到非连续导电模式(DCM),提高轻载条件下的能效,使待机功耗低于30毫瓦(mW),符合全球能效监管标准。自适应ZVS频率调制提供可变输出电压,优化USB-PD和快速充电的实施。可使用经验证的超结FET或高性能氮化镓(GaN)FET的ACF拓扑结构,外部器件更少,实现更高密度设计。NCP1568采用小型TSSOP-16封装,具有多重保护功能。静音跳跃功能消除工作时的可闻噪声,这是室内电源适配器应用的一个基本需求。

NCP51530是700伏(V)高频率、高边与低边驱动器,可直接驱动高性能电源应用中的两个N沟道功率MOSFET。其特点是快速的动态响应,30纳秒(ns)的传播延迟适合高频工作,而5 ns的传播延迟匹配确保领先市场的能效性能。NCP51530提供非常强固的方案,不易受dv/dt(高达50 V/ns)和负瞬态的影响。

伟诠的USB PD控制器WT6615F支持USB PD 3.0规范和QC 3.0,用于USB Type-C DFP下行端口(源)充电应用,通过集成USB PD基带物理层、Type-C检测、并联稳压器、电压和电流检测、负载开关的MOSFET控制器和8位微处理器,最大限度地减少外部元件数,实现小外形和低物料单(BOM)成本,支持3 V至30 V的宽工作电压范围,无需外部LDO,多次可编程的ROM可用于编辑程序代码及用户配置数据。

两款方案都集成全面的保护特性,包括自适应输出过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、电缆压降补偿、ACF开环保护等,在实现高能效和高功率密度的同时确保高可靠性。

能效和性能测试

根据最新的COC V5 Tier 2标准,待机功耗、平均能效和10%负载能效需达到以下规格。

输出平均能效10%负载能效待机功耗
5 V 3 A

81.40%

71.40%

75 mW
9 V 3 A

86.60%

76.60%

 
12 V 3 A

87.40%

77.40%

 
15 V 3 A

87.70%

77.70%

 
20 V 4.5 A

89%

79%

 

经测试,65 W和 90 W ACF USB PD适配器方案峰值能效分别超过94%和92%,平均能效和10%负载能效也都符合并超越COC V5 Tier2标准,且纹波小,动态性能佳。以90 W方案为例,能效测试曲线如下:

图4:输出为5 V时(电缆未插入)的 待机功耗低于75 mW.jpg

图4:输出为5 V时(电缆未插入)的 待机功耗低于75 mW

图5:平均能效符合COC Tier2标准.jpg

图5:平均能效符合COC Tier2标准

在115 Vac和230 Vac的测试条件下,输出20 V时,测得90 W ACF USB PD方案的满载能效超过92%。在230 Vac的测试条件下,输出5 V、0.5 A时的纹波低于100 mV。

总结

安森美半导体和伟诠电子合作推出的65 W和90 W ACF USB PD电源适配器方案采用ACF拓扑,高能效、低待机功耗,符合并超越COC V5 Tier2能效标准,使用行业标准的超级结FET,且工作的高频率大幅缩减元件尺寸,实现高功率密度,全面的保护特性确保高可靠性和高强固性,纹波和动态性能极佳,使设计人员能快速开发出支持USB-PD和高通Quick Charge™规格的紧凑的、高能效电源适配器。
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