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小巧的100 W USB PD快充和适配器方案提供超92%的高能效和高可靠性

关键词:适配器 100 W USB PD快充

时间:2022-08-05 11:29:53      来源:安森美

该100 W USB PD参考设计能效远超COC V5 Tier 2标准,并具有高功率密度和高可靠性,显著的优势包括:采用2级PFC输出,提升低压时的能效;当PFC开始工作在一定功率时,功率扩展模式(PEM)控制器支持向更大的功率转换;相较于QR控制器,只需要68 uF PFC输出电容,从而最小化电容器尺寸并降低成本。

安森美(onsemi)最近推出一款100 W USB PD参考设计,此设计支持PD 3.0、PPS,最大输出功率100 W,在115 VAC和230 VAC的平均能效达到92%,满载能效超过92%,外形小巧仅65 mm x 65 mm x 28 mm,适用于手机快充、笔记本电脑等应用。


图1:100 W Type-C PD适配器方案外形

该方案采用NCP1623A 功率因数校正(PFC)控制器、NCP1343多模式高频准谐振(QR)反激式PWM控制器、NCP4307同步整流控制器、结合FUSB15101支持可编程电源(PPS)的USB Type-C PD 3.1电源控制器,交流输入电压范围90 V到264 V,输出电压范围3.3 V到21 V。

其中,NCP1623A基于创新的谷底同步频率反走(VSFF),重载条件下工作在临界导通模式(CrM),轻载时进入非连续导通模式(DCM),确保在各种负载下都提供极高能效。NCP1623A提供两级输出电压:当输入低于146 VAC时输出250 V,输入高于163 VAC时输出390 V,其跟随器升压能力还大大提高低压时的能效, 相比较传统固定输出,在低压可提高PFC效率1.5~2%。

NCP1343集成功率扩展模式(PEM),在低压输入、20 V输出时,0到满载负载突变情况下,在PFC没启动之前可进入CCM模式来减小初级峰值电流,最小化变压器尺寸和PFC输出电容, 相比较传统的QR控制器,在满载时可降低25%的初级峰值电流。跳周期模式(quiet-skip)最小化可闻噪声。

NCP4307的自供电能力和双Vcc引脚配置选项,使得在低输出时省去外部Vcc电路,也可配置为高边或低边工作。


图2:电路原理图(PFC部分)

图3:电路原理图(PWM和协议部分)

提高工作频率可缩小电源尺寸,该设计在264 VAC、满载的情况下,频率达190 KHz,还可驱动氮化镓(GaN)以进一步提高开关频率,降低损耗。

除了高能效和小外形的优势,该100 W USB PD参考设计还集成丰富的保护功能,包括过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、开环保护等,提供高可靠性。

能效测试

我们测试了该100 W USB PD适配器参考设计在115 VAC(蓝色曲线)和230 VAC(红色曲线)输入电压的平均能效和轻载(10%负载)能效,从下面曲线图可看到都远高于COC V5 Tier 2平均能效标准和COC V5 Tier 2轻载能效标准(紫色曲线),整个负载范围内的待机功耗低于70 mW。


图4:平均能效和10%负载能效远超COC V5 Tier标准

性能测试

经测试,该100 W USB PD适配器参考设计在各种负载条件下的纹波和噪声都低于60 mV,动态性能稳定,EMI和热性能优良。


图5:100 W USB PD适配器参考设计在90 VAC时的纹波


图6:100 W USB PD适配器参考设计热成像

总结

该100 W USB PD参考设计能效远超COC V5 Tier 2标准,并具有高功率密度和高可靠性,显著的优势包括:采用2级PFC输出,提升低压时的能效;当PFC开始工作在一定功率时,功率扩展模式(PEM)控制器支持向更大的功率转换;相较于QR控制器,只需要68 uF PFC输出电容,从而最小化电容器尺寸并降低成本。

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