适用于高达220W的USB PD 3.1 适配器的新型高压GaN解决方案

Power Integrations 宣布推出 InnoSwitch 4-CZ 系列高频、零电压开关反激式控制器 IC 的扩展产品。当与 Power Integrations 的 ClampZeroTM 有源钳位 IC 以及最近推出的 HiperPFS-5 基于氮化镓的电源可选配时，新 IC 可轻松满足当前高达 220 W 的适配器和充电器的 USB 供电 （PD） 3.1 规范。因子校正器（PFC）。

扩大新型 InnoSwitch4-CZ 和 ClampZero IC 的功率范围，使充电器/适配器设计人员能够轻松超过 23 W/in。3用于单输出或多输出 USB PD 3.1 认证设计，最大限度地减少组件并为 130-W USB PD 提供 94% 的效率。

Power Integrations技术推广总监 Andy Smith 在接受 Power Electronics News 采访时指出，人们对 USB PD 市场有着浓厚的兴趣。USB PD是一种基于USB-C标准的快充技术。USB-C PD 可以提供比标准壁式充电器更大的电力，因此它对于快速将电力恢复到设备中特别有用。快速充电对于笔记本电脑、平板电脑和便携式充电器至关重要，但家用电器和其他此类设备也开始在其设备中使用越来越多的 USB 端口。

Power Integrations 长期致力于 USB PD 领域，推出InnoSwitch解决方案以提高产品的功率密度，使其能够高效运行。GaN 随后实现了更高的功率密度。目标是支持 USB PD 市场的这种变化，除了高效率外，还需要小尺寸。“每个人都想要最小的适配器，这意味着最高的效率和最少的组件，所以我们非常努力地支持这个市场，”史密斯说。

USB PD技术

市场需要轻巧、紧凑且功能强大的适配器，能够快速为其所有关键任务设备充电。USB PD 3.1 已将额定功率提高到 240 W，而上一代可以提供 100 W。Smith 强调了 240 W 市场如何仍在兴起，因为在工程层面，考虑到很小的尺寸。快速充电无疑是一个很大的机会。

“但我们还需要保持一些基本的行业特性，例如低功耗、空载消耗和待机时的良好效率，”Smith 说。“一旦你获得更高的权力，这并不容易实现。另一个重要的事情是，当输入功率大于 75 W 时，我们显然需要进行功率因数校正。所以现在我们必须要有一个 PFC 级，还要消除或继续消除散热器。”

根据 Smith 的说法，反激式的挑战之一是开关频率越高，功率损耗就越高。正如 Smith 解释的那样，由于电源开关关闭时变压器初级上的电压尖峰（图 1），反激电路需要初级钳位，以防止变压器换向时初级开关两端的电压升高。传统方法使用一个电容器和一个电阻器来释放额外的能量，并在每次发生开关周期时产生功率损耗。因此，要实现高效率，就必须限制开关频率。将开关频率限制在 75 kHz 或 80 kHz 会使电源变压器变大一些。因此，您要做的是避免初级钳位电路断电。理想情况下，您可以通过切换功率晶体管来提高其效率。但您实际上需要消除钳位损耗，以使设计人员能够提高开关频率并获得更小的变压器。

图 1：在传统反激式中，初级钳位电路消耗能量以保护初级开关。（来源：Power Integrations）

“去年，我们推出了带有有源钳位电路的 ClampZero，”Smith 说。“基本上，钳位能量存储在钳位电容器中，然后我们使用另一个开关在开关周期的适当点将能量引导到输出级。初级钳位控制、初级开关控制和同步整流晶体管控制必须非常小心地同步。所以在 InnoSwitch 中，这一切都是通过次级侧的主控制器完成的。通过这种方式，我们用一个控制器驱动所有三个开关，这有助于精确控制 ［图 2 和 3］。”

图 2：InnoSwitch4-CZ 和 ClampZero 通过消除初级钳位和开启损耗在高频下实现高效率。（来源：Power Integrations）

史密斯补充说：“我们所做的是在打开主开关之前短暂打开钳位开关。这使我们能够对主电源上的电容进行放电，并将钳位能量传输到输出端。这样，我们使用钳位能量来驱动输出，并通过初级开关释放少量电容，从而实现零电压开关。”

传统的互补钳位工艺只是在反相中打开两个初级晶体管。但通过在功率开关导通前短时间导通晶体管（非互补模式），可以将能量传递到输出端，降低初级开关电压，从而实现零电压开关。而且，由于两个晶体管的动作关系不是固定的，我们可以在连续和不连续模式下操作。“在处理 USB PD 时，这一点非常重要，从 5 V/1 A 到可能的 24 V/5 A，输出负载波动很大，在这些条件下，能够从不连续模式过渡到连续模式，”Smith 说。“这使我们能够在更广泛的范围内操作设备，同时避免突发模式。FluxLink 通信机制允许非常容易地控制所有开关。有必要确保开关周期之间的时间较短。但当然，您需要确保死区时间足以防止交叉传导。”

图 3：InnoSwitch4-CZ 芯片组与 HiperPFS-5 PFC IC 无缝运行。（来源：Power Integrations）

图 4：USB PD — 130-W 输出（来源：Power Integrations）

时机很关键；无论如何，这一切让我们能够做的就是提高开关频率。当然，您必须密切关注 EMI 问题。在高频下切换，需要一个更大的 EMI 滤波器。根据 Smith 的说法，频率限制在 140 kHz，使我们能够减小变压器的尺寸，而不会遇到太多 EMI 问题。

“即使我们有一个完整的 PFC 级和反激式，我们仍然可以在 130 W 设计中实现 94% 的效率，”Smith 说。“这足以确保所有开关组件都不需要散热器。另一个令人兴奋的事情是，我们能够将空载功耗限制在 70 mW 以下。”

图 4 显示了用于 130-W USB PD 的电路板。81.4 × 61.5mm 的小尺寸部分是由于增加了开关频率，这允许使用更小的变压器尺寸。由于采用了薄型表面贴装电源封装，因此可以实现非常小和薄型。“组件数量很少，你会注意到冷却是通过 PCB 实现的，”Smith 说。“这个电源有一个小散热器：它位于另一侧，用于散发来自桥式整流器的热量。桥式整流器正在成为电路板上最耗电的组件。然而，有趣的是，最明确的要求是高效率和低元件数量，因为您必须能够在电路板上安装所有这些元件。”