安森美(onsemi)最近推出一款100 W USB PD參考設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)支持PD 3.0、PPS，最大輸出功率100 W，在115 VAC和230 VAC的平均能效達(dá)到92%，滿載能效超過92%，外形小巧僅65 mm x 65 mm x 28 mm，適用于手機(jī)快充、筆記本電腦等應(yīng)用。
圖1：100 W Type-C PD適配器方案外形
該方案采用NCP1623A 功率因數(shù)校正(PFC)控制器、NCP1343多模式高頻準(zhǔn)諧振(QR)反激式PWM控制器、NCP4307同步整流控制器、結(jié)合FUSB15101支持可編程電源(PPS)的USB Type-C PD 3.1電源控制器，交流輸入電壓范圍90 V到264 V，輸出電壓范圍3.3 V到21 V。
其中，NCP1623A基于創(chuàng)新的谷底同步頻率反走(VSFF)，重載條件下工作在臨界導(dǎo)通模式(CrM)，輕載時(shí)進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，確保在各種負(fù)載下都提供極高能效。NCP1623A提供兩級(jí)輸出電壓：當(dāng)輸入低于146 VAC時(shí)輸出250 V，輸入高于163 VAC時(shí)輸出390 V，其跟隨器升壓能力還大大提高低壓時(shí)的能效， 相比較傳統(tǒng)固定輸出，在低壓可提高PFC效率1.5~2%。
NCP1343集成功率擴(kuò)展模式(PEM)，在低壓輸入、20 V輸出時(shí)，0到滿載負(fù)載突變情況下，在PFC沒啟動(dòng)之前可進(jìn)入CCM模式來減小初級(jí)峰值電流，最小化變壓器尺寸和PFC輸出電容, 相比較傳統(tǒng)的QR控制器，在滿載時(shí)可降低25%的初級(jí)峰值電流。跳周期模式(quiet-skip)最小化可聞噪聲。
NCP4307的自供電能力和雙Vcc引腳配置選項(xiàng)，使得在低輸出時(shí)省去外部Vcc電路，也可配置為高邊或低邊工作。
圖2：電路原理圖(PFC部分)
圖3：電路原理圖(PWM和協(xié)議部分)
提高工作頻率可縮小電源尺寸，該設(shè)計(jì)在264 VAC、滿載的情況下，頻率達(dá)190 KHz，還可驅(qū)動(dòng)氮化鎵(GaN)以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，降低損耗。
除了高能效和小外形的優(yōu)勢(shì)，該100 W USB PD參考設(shè)計(jì)還集成豐富的保護(hù)功能，包括過壓保護(hù)(OVP)、過流保護(hù)(OCP)、短路保護(hù)(SCP)、開環(huán)保護(hù)等，提供高可靠性。
能效測(cè)試
我們測(cè)試了該100 W USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在115 VAC(藍(lán)色曲線)和230 VAC(紅色曲線)輸入電壓的平均能效和輕載(10%負(fù)載)能效，從下面曲線圖可看到都遠(yuǎn)高于COC V5 Tier 2平均能效標(biāo)準(zhǔn)和COC V5 Tier 2輕載能效標(biāo)準(zhǔn)(紫色曲線)，整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的待機(jī)功耗低于70 mW。
圖4：平均能效和10%負(fù)載能效遠(yuǎn)超COC V5 Tier標(biāo)準(zhǔn)
性能測(cè)試
經(jīng)測(cè)試，該100 W USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在各種負(fù)載條件下的紋波和噪聲都低于60 mV，動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定，EMI和熱性能優(yōu)良。
圖5：100 W USB PD適配器參考設(shè)計(jì)在90 VAC時(shí)的紋波
圖6：100 W USB PD適配器參考設(shè)計(jì)熱成像
總結(jié)
該100 W USB PD參考設(shè)計(jì)能效遠(yuǎn)超COC V5 Tier 2標(biāo)準(zhǔn)，并具有高功率密度和高可靠性，顯著的優(yōu)勢(shì)包括：采用2級(jí)PFC輸出，提升低壓時(shí)的能效；當(dāng)PFC開始工作在一定功率時(shí)，功率擴(kuò)展模式(PEM)控制器支持向更大的功率轉(zhuǎn)換；相較于QR控制器，只需要68 uF PFC輸出電容，從而最小化電容器尺寸并降低成本。 |
