將USB PD3.1推向240W，解讀瑞薩USB PD全范圍電壓參考設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）近幾年，提升充電效率已經(jīng)成為移動(dòng)智能設(shè)備的重要賣(mài)點(diǎn)，傳統(tǒng)USB充電標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足用戶對(duì)充電速度的要求，USB PD技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。USB PD快充協(xié)議是一種通過(guò)USB Type-C接口進(jìn)行高功率輸出的充電協(xié)議。相比傳統(tǒng)的USB充電標(biāo)準(zhǔn)，USB PD能夠提供更高的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。并且，USB PD協(xié)議支持多種功率擋位，靈活性更高。

在今年的進(jìn)博會(huì)上，瑞薩電子展示了一款USB PD3.1 EPR 240W全范圍電壓參考設(shè)計(jì)，提供從“墻到電池”整體解決方案。一般而言，USB PD快充提供的效率都是50-140W。不過(guò)，USB-IF協(xié)會(huì)在介紹USB PD3.1協(xié)議時(shí)就曾提到，USB PD3.1允許將最大充電功率提升至240W，同時(shí)新增28V、36V、48V三組固定輸出電壓擋位，以及15V-28V、15V-36V、15V-48V三組可調(diào)電壓擋位（簡(jiǎn)稱(chēng)AVS）。

在這個(gè)參考設(shè)計(jì)里，瑞薩電子將USB PD3.1的功率推向了最高的240W，且參考示例的體積和目前電腦充電器的體積相當(dāng)。


左上角為參考示例的整體顯示，體型和當(dāng)前電腦USB PD快充相當(dāng)

瑞薩電子的USB功率傳輸系列基于USB功率傳輸標(biāo)準(zhǔn) (USB PD) 標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，通過(guò)上圖也可以看出，這個(gè)參考設(shè)計(jì)擁有多個(gè)子單元，包括240W零電壓開(kāi)關(guān)ZVS PD3.1 EPR 48V電源方案，240W USB Type-C電池系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，以及電池電量計(jì)評(píng)估模塊。

240W零電壓開(kāi)關(guān)ZVS PD3.1 EPR 48V電源方案

在240W零電壓開(kāi)關(guān)ZVS PD3.1 EPR 48V電源方案里，使用到的瑞薩電子元器件包括iW9801 ACIDC數(shù)字ZVS反激控制器，iW780 USB PD3.1協(xié)議IC (支持48V輸出)，iW676同步整流控制器和R2A20132交錯(cuò)式PFC控制器。

瑞薩電子iW9801 ACIDC數(shù)字ZVS反激控制器集成了瑞薩電子的專(zhuān)利自適應(yīng)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效率和低EMI，支持高效回收能源，最大限度地減少熱量產(chǎn)生，效率高達(dá)94%。

iW780 USB PD3.1協(xié)議IC一個(gè)高度靈活和可編程的AC/DC接口控制器，支持USB供電（PD）3.1和多個(gè)D+/D-協(xié)議，并且這款I(lǐng)C將協(xié)議支持、次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)控制和USB Type-C斷開(kāi)FET控制器集成在一起，用于單端口和多端口充電適配器設(shè)計(jì)。

iW676數(shù)字同步整流器可與瑞薩電子的多個(gè)初級(jí)側(cè)控制器配合使用，采用專(zhuān)有的數(shù)字自適應(yīng)關(guān)斷控制技術(shù)，用MOSFET取代次級(jí)側(cè)并聯(lián)肖特基二極管，以實(shí)現(xiàn)高功率密度和低成本。 iW676比其替代的二極管更高效，也比傳統(tǒng)的同步整流器更高效。該器件還可結(jié)合瑞薩電子獨(dú)特的有源電壓定位（AVP）控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)旅行適配器的超快速動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)（DLR）和低至20mW的空載功耗，無(wú)需添加引腳或外部組件。

R2A20132SP控制兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，以提供主動(dòng)功率因數(shù)校正。其交錯(cuò)功能通過(guò)180度相移來(lái)改善輸入或輸出電容器上的波紋電流。反饋回路開(kāi)路檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)內(nèi)置于R2A20132SP中，可以構(gòu)成一個(gè)具有很少外部部件的高可靠性電源系統(tǒng)。

240W USB Type-C電池系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)

在240W USB Type-C電池系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)方案里，主要用到了RAA489300 48V 3-Level Buck (預(yù)降壓)，RAA489118 28V 2～7S數(shù)字雙向升降壓電池充電IC，'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC)，R9A02G0151 USB PD3.1 ERP Type-C Port Manager (TCPM)。

當(dāng)前，瑞薩電子官網(wǎng)供應(yīng)的是RAA489301，這是一款3電平降壓電壓控制器，可在VOUT < VIN/2、VOUT = VIN/2和VOUT > VIN/2之間提供無(wú)縫轉(zhuǎn)換。RAA489301支持USB PD適配器，可安全地將其轉(zhuǎn)換為高達(dá)24V的穩(wěn)壓輸出電壓。

目前，瑞薩電子官方并不提供RAA489118的相關(guān)資料，不過(guò)從RAA489110的介紹信息來(lái)看，RAA489118也將采用瑞薩電子R3技術(shù)，這是一種高效的充電模式。'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC）也是一種降壓-升壓電池充電器。

R9A02G015 是一款基于MCU的Type-C端口管理器 (TCPM)，它是通用串行總線 (USB) 供電 (PD) 系統(tǒng)的重要組成部分。 R9A02G015實(shí)現(xiàn)了TCPM–USB PD策略引擎功能，符合USB PD 3.1規(guī)范。

電池電量計(jì)評(píng)估模塊

在電池電量計(jì)評(píng)估模塊里主要用到了RAJ240100 2～10S電池電量計(jì) (Fuel Gauge) IC。RAJ240100包括單個(gè)封裝的MCU器件和AFE器件各一個(gè)。這些器件具備多種電池管理功能，搭載瑞薩電子RL78 CPU內(nèi)核，該內(nèi)核具有多種低功耗模式，可在超低功耗運(yùn)行中發(fā)揮高性能。RAJ240100支持多達(dá)10個(gè)串聯(lián)的鋰離子或鋰聚合物電池。

除了上述這些器件，在瑞薩電子的USB功率傳輸系列里還包括ISL95338雙向降壓電壓調(diào)節(jié)器、ISL9241降壓-升壓可配置電池充電器等。瑞薩電子工作人員表示，USB功率傳輸系列方面，瑞薩電子是當(dāng)前市場(chǎng)上為數(shù)不多能夠提供全套解決方案的公司。USB PD3.1 EPR 240W全范圍電壓參考設(shè)計(jì)可用于電動(dòng)助力車(chē)、吸塵器、PD充電器等市場(chǎng)。

結(jié)語(yǔ)

USB PD技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛。除了手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備之外，它還可以用于筆記本電腦、顯示器等大功率設(shè)備的充電。隨著消費(fèi)者對(duì)充電效率的要求越來(lái)越高，瑞薩電子USB PD3.1 EPR 240W全范圍電壓參考設(shè)計(jì)給出了一個(gè)很好的升級(jí)方向，并且得益于GaN功率器件的使用，這個(gè)參考設(shè)計(jì)的體型并不大，具有很好的便攜性。