針對當前市場需求和最新的USB標準,領先的電源半導體供應商安森美半導體宣佈攜手USB PD控制器領域的領導者偉詮電子,合作推出全系列USB PD壁式充電器參考設計,包括支持USB Type-C介面PD 3.0和高通Qualcomm Quick® Charge 3.0TM Class A快充協定的45 W USB PD 3.0電源轉接器方案。

USB Type-C、USB PD和QC 3.0簡介

USB Type-C 是新一代通用串行匯流排連接器、端口和纜線規範,支持雙向電源和正反逆插,支持更高的充電功率和達10 Gbps的資料傳輸速率,被越來越廣泛地應用於可攜式設備。

USB PD全稱USB Power Delivery,即USB功率傳輸協定,支持資料通訊和高達100 W的功率傳輸,啟動時預設支持5 [email protected],可根據需要調至27 W、45 W、60 W、100 W等,並支持額外的功率和電壓選擇。USB
PD 3.0是USB-IF組織發佈的最新協定,旨在一統快速充電技術規範的可編程電源(PPS,Programmable Power Supply)。USB PD3.0輸出電壓範圍從5V擴展到3 V至21 V,步進調幅電壓為20 mV。

QC 3.0是高通第三代快充技術,其支持的匯流排電壓(VBUS) 範圍,Class A為3.6 V至12 V,Class B為3.6 V至20 V。QC 3.0在分立模式下等同於QC 2.0,以0 V、0.6 v、3.3 V三級邏輯通過靜態D+/D- 值選擇VBUS;在連續模式下,新的QC 3.0以200 mV小步幅增加或降低VBUS,讓可攜式設備選擇最適合的電壓達到理想充電效率,更具靈活性,其最大負載電流限制為3 A,最高功率可達60 W。高通的快充技術如今已發展到第四代即QC4,電壓檔細分為以20mV為一檔,同時支持USB PD。

45 W USB PD 3.0電源轉接器方案實現簡潔、高能效的設計

安森美半導體和偉詮共同推出的45W USB PD 3.0電源轉接器方案涵蓋5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V3A 、20V/2.25A的PD 3.0規格和3.6 V至12 V/3 A的QC 3.0 Class A規格,額定輸出功率45 W,平均能效超過90%,待機功耗低於30 mW,符合最新的能效標準,且占板尺寸僅57mmx36mmx19mm,功率密度達1.15W/cm3,此外,該方案還整合全面的保護機制,包括自適應的輸出過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、纜線壓降補償、開環保護等,在實現高能效和高功率密度的同時確保高可靠性,工程師採用該方案可輕鬆設計出支持PD 3.0或QC 3.0的高能效、高功率密度和高度可靠的電源轉接器,用於智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦等應用。

該設計主要採用安森美半導體的初級端高頻準諧振反馳式PWM控制器NCP1340、次級端同步整流控制器NCP4306、同步FET NTMFS6B03、開關FET ATP104和偉詮的PD3.0協定控制器WT6632F/WT6615F。方案框圖如圖1所示。

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圖1:45 W USB PD3.0電源轉接器方案框圖

準諧振反馳+同步整流的架構有利於實現高功率密度和高能效。在該方案中,安森美半導體的NCP1340採用準諧振電流模式控制,工作頻率高達150 KHz,整合X電容放電功能和新一代跳週期模式,谷底鎖定開關運行機制避免因谷底數不穩定所產生的音訊雜訊問題,配以同步整流控制器NCP4306,通過超快關斷觸發、極短導通延時和強大的驅動能力降低整流二極體導通損耗。同步FET NTMFS6B03導通電阻低至4.8 mΩ,最大限度地降低導通損耗,低閘極電荷和電容最大限度地降低驅動損耗。而輸出FET採用單P溝道ATPAK功率MOSFET ATP104,具備低導通電阻、大電流、纖薄的封裝和4.5 V驅動能力。

偉詮的USB PD控制器WT6632F/WT6615F支持USB PD 3.0規範和QC 3.0,用於USB Type-C DFP下行端口(源)充電應用,通過整合USB PD基帶物理層、Type-C檢測、並聯穩壓器、電壓和電流檢測、負載開關的MOSFET控制器和8位微處理器,最大限度地減少外部元件數,實現小外形和低物料清單(BOM)成本,支持3 V至30 V的寬工作電壓範圍,無需外部LDO,多次可編程的ROM可用於編輯程式代碼及用戶配置資料。

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圖2:45 W USB PD3.0電源轉接器方案電路原理圖

該方案在230 Vac、滿載條件下的開關頻率高達約130 KHz。

能效和性能測試

我們在90 Vac、115 Vac、230 Vac、264 Vac 條件下,測得該方案於5 V輸出(纜線未插入)的待機功耗都低於27 mW,在評估板端測得在115 Vac和230 Vac的條件下,20 V/2.25 A輸出的平均能效超過90%。

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圖3:能效測試曲線

當拔除線纜時, MOSFET快速關斷,當再次插入線纜、匯流排電壓Vbus降至5 V時,MOSFET快速導通。此外,我們在上述所有條件下測得的紋波和雜訊都低於100 mV, 動態性能出色,散熱性良好。

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圖4:熱圖像@20V2.25A

現已被安森美半導體收購的Fairchild與偉詮合作推出經實踐證實的高能效方案仍將提供給客戶,且配備相應的評估板和使用指南:
 支持USB PD 2.0的24 W電源轉接器方案,輸出電壓涵蓋5 V、9 V、12 V,採用離線準諧振PWM控制器FAN602MX、次級端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6630P
 支持USB PD3.0+PPS的25 W電源轉接器方案,輸出電壓涵蓋5 V、9 V,採用離線準諧振PWM控制器FAN604HMX、次級端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6615F
 支持USB PD 3.0+QC 3.0的65 W電源轉接器方案,採用離線準諧振PWM控制器FAN604HMX、次級端同步整流控制器FAN6240M6X和偉詮的USB PD控制器WT6632F/WT6615F。

總結

USB Type-C介面和USB PD協定將成為市場的主流。安森美半導體利用在電源半導體領域的專長和偉詮在USB PD領域的領先技術,合作推出全系列USB PD壁式充電器參考設計以滿足市場需求。其中,45 W USB PD3.0電源轉接器方案,支持USB Type-C PD 3.0和QC 3.0協定,工作頻率高達150KHz,功率密度達1.15 W/cm3,待機功耗低於30 mW,完全符合各項能效標準,且具備高達90%的平均能效,和出色的紋波及動態性能,使設計人員能快速設計出支持USB PD 3.0和QC 3.0的簡潔和高能效的電源轉接器,用於智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦等應用。此外,該方案還易於擴展輸出功率至60 W。

Qualcomm Quick Charge是Qualcomm Technologies, Inc的產品。Qualcomm是Qualcomm Incorporated在美國和其他國家的註冊商標。Quick Charge是Qualcomm Incorporated的註冊商標。USB Type-C 和 USB-C是USB Implementers Forum的註冊商標。

關於安森美半導體
安森美半導體(ON Semiconductor,美國納斯達克上市代號:ON)致力於推動高能效電子的創新,使客戶能夠減少全球的能源使用。安森美半導體領先於供應基於半導體的方案,提供全面的高能效電源管理、類比、感測器、邏輯、時序、互通互聯、分立、系統單晶片(SoC)及定制元件陣容。公司的產品幫助工程師解決他們在汽車、通訊、電腦、消費電子、工業、醫療、航空及國防應用的獨特設計挑戰。公司運營敏銳、可靠、世界一流的供應鏈及品質專案,一套強有力的守法和道德規範計畫,及在北美、歐洲和亞太地區之關鍵市場運營包括製造廠、銷售辦事處及設計中心在內的業務網路。更多資訊請訪問http://www.onsemi.com。

關於偉詮電子
偉詮電子股份有限公司(TWSE: 2436)成立於1989年,位於「台灣矽谷」新竹科學工業園區,定位為無晶圓廠之積體電路公司 (Fabless IC Company),是台灣知名的IC設計公司之一,專長於積體電路產品的企劃、設計、測試、應用與行銷。進一步資訊,請瀏覽www.weltrend.com。

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