USB充電器的過去與現(xiàn)在之Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)

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在計劃寫本篇博客時，我在谷歌趨勢中輸入了“Type-C”。如圖1所示，自2015年以來對這一詞語的興趣一直在上升。

USB Type-C設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中也越來越流行，許多流行的手機(jī)和平板電腦采用USB Type-C接口。我預(yù)計在未來幾年采用USB Type-C接口的產(chǎn)品將迅速增加。

為什么功率為15W（5V3A）？

除了具有正反都可插的插頭，USB Type-C可提供比以往任何USB版本更大的功率。雖然對于USB 3.1和USB充電，USB Type-C可支持高達(dá)100W的功率，但是系統(tǒng)設(shè)計者必須仔細(xì)選擇功能，保持合理的整體成本。

USB Type-C接口采用了15W功率，是標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0充電速率的六倍。

對于大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦，15W已經(jīng)足夠，而且成本合理。

二極管整流和PSR被廣泛用于電流低于2A的適配器

以前的手機(jī)電源適配器的正常的功率為5V/2A或更低。因?yàn)楹唵?，可以去除光隔離器和可編程基準(zhǔn)，初級側(cè)調(diào)節(jié)（PSR）常常用于AC/DC轉(zhuǎn)換。因?yàn)樨?fù)載電流不高，在這個功率水平上使用了二極管整流器。圖2為帶二極管整流的簡化PSR電路圖。

簡化電路圖

圖2：帶二極管整流的UCC28704典型應(yīng)用電路

同步整流（SR）是解決5V/3A適配器PSR設(shè)計挑戰(zhàn)的最佳選擇

PSR消除了對次級側(cè)反饋元件和光學(xué)耦合器的需求，從而節(jié)省了成本。然而，采用PSR+SR的設(shè)計并不像只使用PSR一樣簡單。

大多數(shù)PSR控制器會在次級二極管的電流變?yōu)榱銜r檢測的拐點(diǎn)輔助線圈的電壓，因?yàn)檩o助線圈上的電壓最接近VOUT/Na，其中Na是輔助線圈與次級線圈的比率。

如果使用SR，在次級導(dǎo)通時間結(jié)束后，體二極管導(dǎo)通時輔助線圈上會發(fā)生電壓凸點(diǎn)，請參考圖3。這凸點(diǎn)將影響對PSR檢測機(jī)制，引起穩(wěn)定性問題，可能表現(xiàn)為異常紋波。

圖3：輔助線圈電壓波形細(xì)節(jié)

如何穩(wěn)定PSR+SR

為了穩(wěn)定PSR + SR，UCC28704（PSR控制器）數(shù)據(jù)表可以讓SR驅(qū)動器穩(wěn)定工作變得更簡單，需要仔細(xì)設(shè)計的參數(shù)有tBW、tDMAG和工作頻率。其中tBW是SR凸點(diǎn)寬度，tDMAG是次級整流器導(dǎo)通時間。

當(dāng)使用帶有SR的UCC28704時，決定最大開關(guān)頻率的關(guān)鍵參數(shù)是基于tDMAG（min）確定的。tDMAG（min）需要大于2.45μs，包括750ns的SR凸點(diǎn)寬度（tBW）。內(nèi)部電路需要750ns（tBW）過濾掉VS引腳波形上檢測到的由MOSFET體二極管導(dǎo)通引起的SR凸點(diǎn)變化。

在恒流工作的起始點(diǎn)測得的相應(yīng)開關(guān)頻率不應(yīng)大于55kHz。

采用UCC28704（PSR控制器）和UCC24636（SR控制器）的5V/3A設(shè)計

根據(jù)上述指導(dǎo)原則，我設(shè)計了如圖4所示的5V/3A電路板。其紋波低于150mV，效率曲線如圖5所示。

圖4：符合OE6和COC V5 Tier 2標(biāo)準(zhǔn)的TI Design通用交流輸入至5V/3A輸出參考設(shè)計電路原理圖

圖5：效率曲線

在115VAC和230VAC輸入的150mΩ電纜端測量的四點(diǎn)平均效率分別為83.4％和83.2％。

COC Tier 2 2016標(biāo)準(zhǔn)要求為滿載時效率為81.8％，10％負(fù)載時效率為72.5％。

該電路板可以滿足CoC Tier2標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)要求，即使使用150mΩ電纜也足以滿足標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

遵循UCC28704數(shù)據(jù)表中的指導(dǎo)原則，可以克服這些限制，制作出低成本的PSR + SR設(shè)計，同時對USB Type-C適配器具有足夠高的效率。

審核編輯：金巧