快充功率變換市場(chǎng)的增長持續(xù)給設(shè)計(jì)工程師帶來新的挑戰(zhàn)。其一是產(chǎn)品各種要求的相互制約，市場(chǎng)不但要求輸出功率不斷增大，體積更小，還要求有更低的系統(tǒng)成本；其二是新市場(chǎng)推動(dòng)進(jìn)一步增長，隨著GaN技術(shù)的推出和各種控制方式的加入，每年USB-PD控制器IC的發(fā)貨量都在逐年增加，快充功率變換產(chǎn)品的主要市場(chǎng)將由手機(jī)充電器領(lǐng)域拓展到筆記本適配器、家電和智能家居領(lǐng)域；其三是標(biāo)準(zhǔn)快充協(xié)議日益多樣化，比如歐盟和北美有USB PD、PPS3.1，中國有UFCS，還有一些專有的標(biāo)準(zhǔn)，包括VOOC、VFC、SCP。而市面上很難有一套方案能夠滿足上述所有需求。為應(yīng)對(duì)此類挑戰(zhàn)，Power Integrations（PI）適時(shí)推出InnoSwitch5-Pro反激式開關(guān)IC，它的突出特征就是高效、先進(jìn)的可編程性以及極低的元件數(shù)目。

InnoSwitch5-Pro的主功率開關(guān)采用PowiGaN技術(shù)，以及PI獨(dú)有的變頻的開-關(guān)控制方式和零電壓開關(guān)(ZVS)，可以使效率超過95%。同時(shí)它具有I2C接口的次級(jí)控制器，適用于任何微控制器，支持USB-PD 3.1、UFCS及其他專有協(xié)議。InnoSwitch5-Pro IC可提供功率開關(guān)及其驅(qū)動(dòng)器、初級(jí)側(cè)控制器、同步整流驅(qū)動(dòng)、FluxLink?（磁感耦合）通訊–無需光耦器、全面的保護(hù)、遙測(cè)報(bào)告功能。應(yīng)用領(lǐng)域包括筆記本電腦、高端手機(jī)和其他便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，包括要求支持新的USB PD EPR（擴(kuò)展功率范圍）協(xié)議的設(shè)計(jì)。InnoSwitch5-Pro專有的InSOP-28D封裝提供更好的隔離功能，且具有更寬的爬電距離。

如何實(shí)現(xiàn)超高的效率和精確的可編程性？

因?yàn)榉醇な阶儞Q器中，初級(jí)功率開關(guān)在開通期間效率低下，表現(xiàn)在開通時(shí)開關(guān)兩端電壓很高；開通期間，隨著電壓的下降和流過開關(guān)管的電流上升；同時(shí)存在的電流和電壓交疊的區(qū)域造成了開關(guān)損耗。而我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)超高效率，最好是能夠通過合理的控制方式將初級(jí)主功率開關(guān)管的開通損耗加以降低，這就是我們經(jīng)常聽說的一種叫做“零電壓”開關(guān)的軟開關(guān)技術(shù)。亦即利用一定的能量，在開關(guān)管執(zhí)行開通動(dòng)作之前將其兩端的高壓泄放至零，之后，再由控制電路給開關(guān)管柵極提供開通控制信號(hào)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)降低開關(guān)損耗的目的。目前，市場(chǎng)上常見的ACF有源鉗位就是利用另一個(gè)高壓功率開關(guān)管執(zhí)行主功率開關(guān)管的VDS電壓泄放的零電壓開關(guān)解決方案。但這種額外增加高壓功率管的方法不但增加了電源整體成本，增加了方案的元件數(shù)目，不利于高功率密度、小體積的設(shè)計(jì)，而且控制器要管理三個(gè)開關(guān)管（鉗位管、主功率管、同步整流管）的控制時(shí)序也更加復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)效率最大化。

PI公司這次發(fā)布的InnoSwitch5-Pro新品不使用初級(jí)側(cè)高壓的鉗位功率開關(guān)管，而是通過利用次級(jí)側(cè)輸出電容的儲(chǔ)能，通過次級(jí)SR開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)主功率開關(guān)管的ZVS操作。這種方法大大簡化了系統(tǒng)成本，減少了元件數(shù)目，也使得電源保障高效工作的同時(shí)，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)。這款I(lǐng)C的主功率開關(guān)管采用的是750V或900V耐壓的氮化鎵開關(guān)，最大輸出功率可以達(dá)到200W以上。而通過I2C接口實(shí)現(xiàn)的可編程定制化的同步整流-零電壓開關(guān)（SR-ZVS）的控制方式，使得設(shè)計(jì)師對(duì)其電源特性的靈活調(diào)整成為可能。與傳統(tǒng)的單級(jí)有源鉗位反激方案相比，可以節(jié)省一個(gè)高壓功率開關(guān)管及相應(yīng)的高側(cè)驅(qū)動(dòng)電平移位IC。這樣一來，只用一個(gè)功率IC即實(shí)現(xiàn)了分立方案中幾個(gè)IC才能實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)于分立方案來講，往往需要初級(jí)側(cè)主功率開關(guān)控制IC、初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)電平移動(dòng)IC、次級(jí)側(cè)同步整流控制IC，而且還需要多使用一個(gè)鉗位功率開關(guān)管。因此，采用了InnoSwitch5-Pro后，電路更簡潔、效率更高、成本也更低了。

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan解釋SR-ZVS控制方式時(shí)說道：“我們IC的控制方式是一種數(shù)字反饋的控制方式，是以次級(jí)側(cè)控制器作為主控制器的。它同時(shí)控制初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序。當(dāng)需要開通初級(jí)開關(guān)管時(shí)，次級(jí)控制器先將次級(jí)的SR整流開關(guān)管開通一小段時(shí)間。此時(shí)，次級(jí)(SR)側(cè)輸出電容的儲(chǔ)能對(duì)變壓器進(jìn)行勵(lì)磁，然后當(dāng)SR整理管關(guān)斷后，初級(jí)側(cè)的續(xù)流電流即可將初級(jí)主功率開關(guān)管兩端的電壓泄放至零，此時(shí)次級(jí)主控制器再發(fā)出開通初級(jí)管的控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了主功率管的零電壓開通?！?

值得一提的是，InnoSwitch5-Pro同樣繼承了InnoSwitch系列在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間利用FluxLink（磁感耦合）的技術(shù)。而且次級(jí)側(cè)具有無損耗的輸入電壓檢測(cè)功能，可進(jìn)行自適應(yīng)的DCM/CCM和ZVS控制，從而在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)提高效率并簡化設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)其具體的輸入電壓情況、輸出電壓高低及負(fù)載狀態(tài)，自行選擇其ZVS工作的各項(xiàng)時(shí)序參數(shù)，包括SR FET的導(dǎo)通時(shí)間及SR FET關(guān)斷后至發(fā)出開通指令之間的延遲時(shí)間，這樣客戶就可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行ZVS操作的優(yōu)化。具體來說，設(shè)計(jì)者可以在MCU的軟件中對(duì)各工況下的ZVS開關(guān)參數(shù)事先進(jìn)行編程設(shè)定，然后將包含各項(xiàng)控制參數(shù)的軟件寫入外部MCU當(dāng)中。而當(dāng)電源工作期間，InnoSwitch5-Pro IC會(huì)經(jīng)由I2C接口與MCU進(jìn)行通訊，根據(jù)具體工況選擇對(duì)應(yīng)的ZVS設(shè)定參數(shù)進(jìn)行ZVS操作。從而實(shí)現(xiàn)電源效率的最佳表現(xiàn)。再者，由于I2C接口只是執(zhí)行MCU的命令，根據(jù)其指令輸出負(fù)載所需要的電流、電壓數(shù)值，所以不依賴于某一個(gè)充電協(xié)議。因此該方案適用于任何快充協(xié)議。另外，這種數(shù)字控制方式使得控制器本身功耗很低，即使IC在給外部MCU供電的情況下，InnoSwitch5-Pro方案仍然可以把空載功耗做到小于30mW。目前，此方案的輸出電壓可以從3V調(diào)整到30V，滿足USB PD3.1中28V輸出規(guī)格的應(yīng)用，并且電壓可以以10mV每檔的步長來進(jìn)行微調(diào)，電流可以做到2%的恒流精度，滿足USB PD3.1 AVS和UFCS的快充標(biāo)準(zhǔn)要求。該方案采用ZVS及QR自動(dòng)切換的控制技術(shù)，整體系統(tǒng)效率極高，可超過95%，使設(shè)計(jì)人員能夠省去熱管理所需的散熱片、導(dǎo)熱片和灌封材料，從而進(jìn)一步減小尺寸，降低元件成本和制造復(fù)雜性。

零電壓開關(guān)(ZVS)極其高效，即使與準(zhǔn)諧振（QR）開關(guān)方式相比，效率也能提升0.6%-1%。

可編程故障響應(yīng)如何及時(shí)地對(duì)故障做出快速響應(yīng)？

想要對(duì)故障做出快速響應(yīng)，首先要保證發(fā)送指令的MCU能夠穩(wěn)定工作。InnoSwitch5-Pro可以通過μVCC引腳為MCU提供穩(wěn)定的3.6V輸出供電的同時(shí)，處理來自MCU的各項(xiàng)指令。

其次，MCU的所有遙測(cè)報(bào)告，比如系統(tǒng)狀態(tài)、工作模式、故障中斷，都可以通過數(shù)據(jù)線傳到負(fù)載端。反過來，負(fù)載端的需求也會(huì)通過數(shù)據(jù)線傳遞給MCU，MCU再通過I2C接口（時(shí)鐘信號(hào)線SCL和數(shù)據(jù)傳輸線SDA）來控制功率器件達(dá)到相應(yīng)的電壓、電流，最后輸送到負(fù)載端的電壓和電流組合即為負(fù)載端指令所要求的輸出規(guī)格。這是一個(gè)閉環(huán)的過程。

最后，利用I2C接口，還可以對(duì)功率IC的輸出過壓閾值、輸出欠壓閾值、電流、響應(yīng)時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)的輸出過壓保護(hù)點(diǎn)、輸出欠壓保護(hù)點(diǎn)以及6種保護(hù)模式進(jìn)行編程設(shè)定。另外，故障響應(yīng)方式的可編程性還可以降低I2C 接口的通訊流量，而故障發(fā)生時(shí)也會(huì)被自行記錄下來。這樣做出來的電源應(yīng)該說更加智能化，具有更強(qiáng)大的特性功能。

“因?yàn)楝F(xiàn)在電源智能化了，所以硬件端發(fā)生了任何故障，都可以通過軟件的方式來匯報(bào)給負(fù)載端，通過報(bào)告電源的工作狀態(tài)和故障情況等遙測(cè)報(bào)告，讓手機(jī)、平板等負(fù)載端更智能地去做出判斷和反應(yīng)”，Jason Yan解釋說：“對(duì)于供電端的電源來說，你負(fù)載要什么我就給你什么。我出現(xiàn)了故障，也會(huì)告訴你，這個(gè)就是InnoSwitch5-Pro這種精確可編程電源帶來的好處。可以毫不夸張的說，這種“聰明”的電源使用起來更加安全可靠?！?

InnoSwitch5-Pro對(duì)USB充電來講，功率更高、效率更高、控制能力更強(qiáng)。InnoSwitch5-Pro具有InnoSwitch技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，I2C確保實(shí)現(xiàn)出色的控制，兼容任何微控制器，支持所有的快充協(xié)議。無需額外高壓功率元件即可實(shí)現(xiàn)ZVS，達(dá)到高效率；PowiGaN的初級(jí)開關(guān)，有適用于印度市場(chǎng)的900V開關(guān)選項(xiàng)。輸出功率高達(dá) 220W，支持筆記本以及電動(dòng)工具充電器的快充應(yīng)用。

Jason Yan同時(shí)還展示了一款140W/28V的USB PD適配器，包含有源PFC（HiperPFS?-5）的前級(jí)變換和ZVS反激式（InnoSwitch5-Pro）的二級(jí)變換。該設(shè)計(jì)示例僅使用106個(gè)元件，體積只有4.2立方英寸（約68.8立方厘米），大幅減少了元件數(shù)目和子板數(shù)目，大大減小了生產(chǎn)期間的裝配等工時(shí)費(fèi)用。其140W時(shí)的效率在95%以上，在90W時(shí)的效率仍接近94%。

對(duì)于此次發(fā)布的新品，Power Integrations高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Adnaan Lokhandwala表示：“ZVS與GaN（氮化鎵）相結(jié)合，能為電源注入神奇的魔力。開關(guān)損耗幾乎為零，并且我們可以利用GaN的低導(dǎo)通損耗來實(shí)現(xiàn)超緊密的適配器布局，其元件數(shù)量遠(yuǎn)少于非對(duì)稱半橋(AHB)電路或有源鉗位方案。InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓?fù)湎鄬?duì)于AHB從電路上更加容易實(shí)現(xiàn)，并且在通用輸入電壓下無論是否使用PFC級(jí)均可正常工作?！?