USB-PD适配器中常见的拓扑

文章重点

1)提高充电器的效率和功率密度是大势所趋2)ST-ONE所采用的ACF拓扑有助于提高效率和功率密度，是快充产品的最佳选择3)MasterGaN为代表的氮化镓技术推动功率转换实现了飞跃，必将引领新的潮流。

引言

本文首先回顾了USB-PD适配器的发展，并和大家聊一聊USB-PD适配器中常见的拓扑。接着着重介绍ST在快充领域的最新产品和技术路线。最后我们会以demo板为例，跟大家探讨一下USB-PD适配器的技术细节和设计时的注意事项。

电源无处不在，我们的生活中随处可见各种各样的电源产品，小到手机充电器，大到太阳能光伏阵列，电源把电网中的澎湃电能转化成各种我们需要的电压为不同的设备供电，维持着整个现代社会的高速运转。正因为电源充斥着我们的生活各个角落，随着全球各国碳达峰，碳中和目标的制定，能源的有效利用就变得尤为关键和重要。

随着这些年电池充电技术的快速发展，USB-PD适配器的功率等级也在迅速增加，从最初的5伏1安到现在很多手机标配的120W快充，手机厂家在充电器上内卷的程度丝毫不亚于互联网行业。甚至USB协会也在2021年6月发布了USB PD 3.1标准，直接把USB-C口的充电功率提升到了48V/5A—240W，给充电器内卷又加了一把火。随着充电器的功率越来越大，一个问题就凸显出来：充电器的尺寸是否也会无限制的增长?从便携性的角度出发，这显然是不可能的，于是就引出了另一个重要概念——功率密度。

电源产品的功率密度一般是指单位体积能够提供的功率，单位一般是瓦/立方厘米或者瓦/立方英寸。简而言之就是如何在更小的空间里提供更多的能量。为什么功率密度如此重要?我们先来看看提高功率密度能带来哪些显而易见的好处。提高功率密度，首先相同功率的电源，尺寸和重量都降低了，这样能够节省整体物料的体积和成本，同时产品的安装和维护更轻松便捷，从另一个方面节约了成本。对于那些需要随声携带的产品，变小了以后便携性也得到了提升。既然功率密度如此重要，那么如何在现有的条件下提高产品的功率密度呢?

在回答这个问题前，我们先来了解一下目前不同功率段适配器中主要使用的拓扑。首先我们根据市场上的主流产品，把充电器分成三个功率段：45W以下，45W到100W，100W以上。45W以下，QR反激拓扑是绝对的霸主。而当功率上升到65W，有源钳位反激拓扑也出现在了一些产品中;当功率等级上升到100W以上时，PFC+LLC/ACF/AHB都可以覆盖相关应用，根据具体的应用，充电口的数量来选择不同的拓扑。而不同的拓扑所能实现的功率密度也大不相同。QR反激拓扑的功率一度一般会在1W/立方厘米以内，而ACF可以轻松达到1.5W/立方厘米。

【图为不同功率段适配器中主要使用的拓扑】

那么为什么传统反激和有源钳位反激相比，在功率密度上会有如此显著的差距呢?主要是由二者不同的工作原理决定的。传统反激的工作原理相信大家都很清楚了，主开关管开通时，能量被存储在变压器中，并在主开关管关断后传递到副边，而变压器漏感产生的能量则被存储在C2中，最后通过R2消耗掉，产生了损耗。而有源钳位反激在传统反激的基础上衍生出来的拓扑，最大的区别就在于通过对钳位管的控制，使之前存储在C2里的漏感能量被循环利用了，并且实现了主开关管的ZVS，从而降低了开关损耗。所以相较于传统反激，有源钳位反激可以实现更高的工作频率，更高的效率，以及更好的EMI特性。自然也就实现了更高的功率密度。ACF的优点显而易见，但是相比传统反激，它也有一些不足之处，例如钳位开关管的控制需要高压隔离驱动，控制方式更为复杂。而传统反激由于没用到钳位开关管，所以成本上更低，控制方式更简单。但是在需要更高功率密度的场合，ACF显然是更好的选择。

下面我们就来着重介绍一下ST最新的ACF控制器——ST-ONE，适用于USB-PD充电器的全集成数字控制器。

ONE代表这是一颗ALL IN ONE的全集成芯片，一颗芯片跨越了原副边，其中包含了原边高压启动及X电容放电电路，有源钳位反激控制，副边同步整流控制以及大于6.4KV的专利的原副边隔离技术，同时芯片还集成了USB-PD协议控制器。可以说一个PD充电器的所有控制单元都被集成在了一颗芯片里，最大限度的帮助设计人员减少BOM中的物料数量。ST-ONE可支持单口或多口输出的的应用，设计的电源可实现大于30W/inch3的功率密度，峰值效率超过95%，开关频率最高支持1MHz，并且已经通过了USB-PD 3.1 PPS认证。是设计轻量化，小型化，大功率适配器的最佳选择。

【上图为ST-ONE的典型应用电路，我们可以看到，外围电路非常的简洁，可以帮助研发人员大大的降低设计难度，缩短从设计到量产的时间，快速的推动产品上市。】

ACF拓扑根据控制方式的不同，又可以分为互补式和非互补式。所谓互补式，也就是钳位开关和主开关互补导通，实现了ZVS;而经典的非互补式，钳位开关管只在副边电流过零的时候开启一次，在实现ZVS的同时减少了钳位开关的RMS电流。而ST的ACF控制器也采用了非互补式控制方式，但在经典的非互补式控制的基础上，钳位管分别在主开关管关断后和副边过零时开启两次，这样做的好处除了上面提到的两点，还可以降低钳位开关的反向导通损耗，特别适合氮化镓的应用场合。同时我们可以看到副边同步整流管的应力也非常小，所以我们可以选择耐压更低的同步整流管，在降低成本的同时也有助于EMI。

【上图清晰的描述了互补式控制，经典非互补式控制以及ST的非互补式控制各自的工作方式和特点。】

ST-ONE内部有一颗32位Cortex M0+的内核以及64K Flash，所以本质上这是一颗数字控制器。数字控制可以方便的根据不同负载使转换器工作在不同的模式。例如工作在连续模式，从下图的对比可以看到，连续模式下的原边电流有效值明显减小，在5V输出条件下测得1.5%的效率提升，同时还可以减小变压器的尺寸，提高功率密度。

既然是数字控制器，那自然少不了好用的图形用户界面。ST-ONE GUI是一种开发用于帮助开发人员设置和监控ST-ONE行为的工具。它可以从客户设计产品之初一直到生产阶段被使用。基本功能包括：闪存内容的读写，处理自动化工业烧录。特有的功能包括读取即时信息，实时了解电源工作状况，帮助更好的设计环路。

总结一下，ST-ONE是一颗集成度非常高的控制器，集成了所有的电源控制部分，并且采用ACF的控制方式，非常适合氮化镓的应用。相信大家也注意到了，为了使芯片不要过于臃肿，并且方便设计人员对功率进行扩展，ST-ONE内部并没有集成功率器件。所以针对ACF/半桥等应用，ST引领氮化镓充电技术新浪潮，推出了全球第一款半桥架构，并且集成驱动的氮化镓芯片——MasterGaN，推动电源的性能全面超越传统硅基晶体管方案。

审核编辑：汤梓红