通用串行總線(USB)規(guī)格的最新迭代版本 USB 3.1 第 2 代，有望改變 IT、消費、工業(yè)及通用嵌入式電子設(shè)備交換數(shù)據(jù)和供電的方式。再加之 Type-C 連接器，它就能夠替代許多其它形式的有線連接，而且它已經(jīng)在便攜式消費設(shè)備領(lǐng)域呈現(xiàn)迅速增長之趨。這可能與該規(guī)格的供電(PD)方面最為相關(guān)。隨著 Type-C 連接器用于更多設(shè)備，用戶對供電潛能的意識也將會增加。

短期內(nèi)，預(yù)計 USB - PD 將在離線電源適配器中得以實施，且最有可能用于高端筆記本電腦，這也符合提供更高電源轉(zhuǎn)換能效的趨勢。預(yù)計至 2025 年，約半數(shù)筆記本電腦適配器都將采用 USB - PD。制造商還希望能夠優(yōu)化電器的電源適配器，這可能意味著輸出功率在 27 至 100W 之間，這也會影響設(shè)計。因此如果制造商要生產(chǎn)各種不同輸出功率水平的適配器，能夠提供設(shè)計靈活性的單一方案將成為首選。

從交流(AC)轉(zhuǎn)到直流(DC)涉及到轉(zhuǎn)換，且不可避免地會造成相關(guān)損耗，半導體行業(yè)一直在努力減少這樣的損耗。當前存在許多電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，一般而言，當將成本視為主要問題且能效并不太重要時，可采用初級端穩(wěn)壓(PSR)反激拓撲結(jié)構(gòu)，特別是當輸出功率要求相對較低且無需嚴格的輸出電壓穩(wěn)壓時。當需要更高輸出功率時，為獲得更高的能效和更佳的性能，通常首選次級端穩(wěn)壓(SSR)準諧振(QR)反激拓撲結(jié)構(gòu)。

如果控制器實施直接感測(Direct Sensing)，則可以通過很少的附加元件來實現(xiàn);如果控制器沒有實施直接感測，則需要額外的外部元件，這不僅增加了總成本，而且本身會引發(fā)額外的延遲，從而降低整體能效。典型情況下，控制器的直接感測引腳需要承受 120V 或更高的電壓以用于 USB - PD 應(yīng)用，為瞬態(tài)和異常情況下的瞬時電壓尖峰提供足夠的余量。

應(yīng)對功率需求的增加，涉及到導通 MOSFET，因此在這種情況下，導通時間延遲至關(guān)重要;如果速度太慢，所需電流將流過 MOSFET 的體二極管而非其溝道，導致無謂的功率損耗和能效下降。

USB - PD 適配器的另一個重要考量是符合輕負載和待機功耗限制，如 CoC Tier 2 和 DoE 6 級。多數(shù)地區(qū)都已采用這些或同等標準。無負載時，電源需要能夠檢測到這一點，同時仍能向控制電路(例如 USB 協(xié)議芯片)供電，但仍然保持低于 0.075 瓦的輸入功率?？蓹z測到此情況并進入輕負載模式的 SR 控制器能夠幫助制造商滿足這些要求。

集成、穩(wěn)健的方案

選擇滿足所有這些要求的次級端同步整流器控制器需要仔細考量可用的方案。如前所述，根據(jù)應(yīng)用，適配器設(shè)計將針對特定的輸出功率進行優(yōu)化?？商峁┻@種靈活水平的控制器能夠用于多種適配器，通過能提供可調(diào)節(jié)開關(guān)時間的控制器就能實現(xiàn)，時間可在設(shè)計時設(shè)定。

安森美半導體的 NCP4306 旨在為上述所有領(lǐng)域提供同類領(lǐng)先的性能。它提供 30ns 的導通時間和僅 13ns 的關(guān)斷時間，最大化了同步整流器 MOSFET 的導通時間，同時消除了與初級端開關(guān)交叉導通的風險。它在設(shè)計上還能夠承受高達 200V 的直接感測電壓。在 7A 的匯電流下，控制器可輕松驅(qū)動小于 10mΩ 的導通電阻 MOSFET，并滿足相應(yīng)的設(shè)計要求，使 USB - PD 電源適配器能夠在高達 100W 的條件下工作。

NCP4306 在設(shè)計上除了用于驅(qū)動經(jīng)過試驗和測試的中壓 MOSFET 之外，還有一種可用于驅(qū)動氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)，能夠比 MOSFET 更快地開關(guān)。該同步整流器控制器可為 GaN 提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓(典型值為 5V)，而不會對其門極造成過壓，否則可能會導致器件發(fā)生故障。這使其適用于在 QR 模式下，甚至有源鉗位反激式拓撲結(jié)構(gòu)中工作的超高密度電源適配器。該同步整流控制器的最大工作頻率高達 1MHz。與可實現(xiàn)高達 500kHz 的高頻 QR 主控制器 NCP1342 一同使用時，可實現(xiàn)峰值能效達到 93.5%且功率密度接近 20W/in3 的 USB - PD 適配器設(shè)計。

該器件內(nèi)部包含用于設(shè)置最小導通時間和最小關(guān)斷時間消隱周期的模塊，以對抗由 PCB 布局和其他寄生元件引起的振鈴，如上所述，這可能導致無謂的體二極管導通。兩個時序參數(shù)都可通過外部電阻進行調(diào)整，從而為所需的功率輸出和選定的功率元件優(yōu)化設(shè)計。輕負載檢測(LLD)模塊可檢測輸出負載降低時電源在跳周期模式下工作時的開關(guān)脈沖頻率降低，并將同步整流器控制器放入禁用模式。該控制器在該狀態(tài)下消耗的電流非常低(通常為 37mA)，從而使 USB - PD 電源適配器能夠符合或綽綽有余地超過 CoC Tier 2 要求。

控制直接感測功能的內(nèi)部電路顯示。一旦連接到開關(guān)漏極端 CS 引腳上的電壓低于 VTH_CS_ON 閾值，同步整流器 MOSFET M1 就會導通。一旦 CS 引腳上的電壓高于 VTH_CS_OFF(通常為 0.5mV)，MOSFET 就會關(guān)斷。NCP4306 的直接感測模塊內(nèi)還配備了 dV/dt 斜率檢測器，以區(qū)分閑置狀態(tài)下的諧振振鈴和實際主開關(guān)導通的情況。這對于具有不同輸出電壓和負載曲線的 USB - PD 設(shè)計尤為重要，且有助于確?？刂破髟谛枰畷r可激活 MOSFET。

在可預(yù)見的未來，使用 Type - C 連接器通過 USB 供電預(yù)計將主導電源適配器的設(shè)計，其在許多應(yīng)用領(lǐng)域的采用已經(jīng)非常突出，它的多功能性意味著它將成為制造商和消費者的首選方案。

選擇正確的 SR 控制器對于設(shè)計一個優(yōu)化的適配器至關(guān)重要，這樣的適配器不僅符合能效法規(guī)，還能滿足消費者的嚴苛要求。NCP4306 代表了新一代 SR 控制器中首款能夠提供這個級別的性能和靈活性的產(chǎn)品。