消除便攜式設(shè)備的充電煩惱

Ryan Zahn Ajay Hari

談到便攜式設(shè)備，電源適配器一直是個(gè)麻煩。它們的大小、能效水平和功率輸出不足在某種程度上削弱了它們所支持的設(shè)備外形的持續(xù)減小，從而影響了可攜性。

現(xiàn)在，USB供電（PD）通過(guò)單一電纜提供達(dá)100W的電力和數(shù)據(jù)傳輸能力。這一便利代表USB PD正在成為中小型設(shè)備首選的充電方式。然而，實(shí)施USB PD的一個(gè)挑戰(zhàn)，是以更高的功率水平提供不同的輸出電壓，以滿足人們迫切需要的快速充電，同時(shí)也不會(huì)最終用一個(gè)能效低、成本高和笨重的適配器。

使用寬禁帶半導(dǎo)體，如氮化鎵（GaN）功率器件，是提高適配器能效和縮小適配器大小的一種潛在方法，但這是該領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，而且目前相對(duì)昂貴。作為另一種選擇，在拓?fù)浞矫娴倪M(jìn)步，如有源鉗位反激，使用標(biāo)準(zhǔn)的超級(jí)結(jié)MOSFET，支持設(shè)計(jì)人員能基于已證實(shí)的技術(shù)，同時(shí)還推進(jìn)適配器設(shè)計(jì)。

我們生活在一個(gè)越來(lái)越頻繁移動(dòng)的世界，我們隨身攜帶智能手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦等多種設(shè)備，以及越來(lái)越多的可穿戴設(shè)備，用于健康監(jiān)測(cè)和其他應(yīng)用。制造商投入了大量研發(fā)資金，以滿足消費(fèi)者的需求，包括增加的功能和縮小的尺寸/增加的便攜性。

當(dāng)我們旅行時(shí)，我們開始意識(shí)到，雖然制造商在設(shè)備本身的小型化方面取得了巨大的進(jìn)步，但所需的電源適配器/充電器卻有些落后，與設(shè)備相比可能比較笨重。這一點(diǎn)在旅行時(shí)尤為明顯，常常需要多個(gè)充電器來(lái)滿足不同設(shè)備的電壓和連接器要求。

顯然，需要某種形式的標(biāo)準(zhǔn)化，以使充電具有共同性，從而減少必須攜帶的充電器數(shù)量，以及減少每年丟棄的大量充電器所造成的電子廢物。

USB 1.1額定功率為2.5W（5V，500mA），USB 3.0將其提高到4.5W（5V，900mA），但這種功率能力僅適用于小型設(shè)備，如智能手機(jī)。USB PD規(guī)范于2012年由USB Promoters Group發(fā)布，支持達(dá)100W的電力傳輸，從而支持為更大的設(shè)備如筆記本電腦和顯示器供電和為移動(dòng)設(shè)備更快地充電。改變輸出電壓的能力也增加了它的通用性。有許多內(nèi)置于標(biāo)準(zhǔn)的精密功能，包括雙向供電（支持為電纜任意一端的設(shè)備供電），和支持同時(shí)在同一電纜上傳輸數(shù)據(jù)和電力的快速角色交換。

當(dāng)USB PD被首次發(fā)布時(shí)，它基于六個(gè)電源配置文件，這些配置文件定義了可傳輸?shù)碾妷汉碗娏鳌Ｈ欢?，USB PD 2.0刪除了配置文件，并支持采用一種更靈活的方法，使得電源可以支持從0.5W到100W的任何要求。

雖然USB PD提供的靈活性可能會(huì)減少所需的充電器數(shù)，但并不一定會(huì)減少單個(gè)充電器的大小，這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。電源適配器不僅必須與USB PD兼容，還必須以合理的成本增加功率密度。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑已經(jīng)相當(dāng)成熟，電源工程師直覺地意識(shí)到，提高效率是實(shí)現(xiàn)更高功率密度的關(guān)鍵。更高效的設(shè)計(jì)產(chǎn)生較少的余熱，說(shuō)明可通過(guò)更小的表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的耗散。為了提高能效，工程師們尋求高效的拓?fù)浜透倪M(jìn)的器件，特別是關(guān)鍵的開關(guān)器件。如果這些開關(guān)器件具有較低的動(dòng)態(tài)損耗，則可以提高開關(guān)頻率，從而減小如磁性器件等笨重器件的尺寸。

目前重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是寬禁帶器件，如氮化鎵（GaN）FET，在低損耗、高溫工作和快速開關(guān)頻率方面提供許多優(yōu)勢(shì)。但這些設(shè)備仍然較新和相對(duì)昂貴。此外，它們還未經(jīng)長(zhǎng)期使用證實(shí)，因此，若要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，工程師們更愿意依賴經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和測(cè)試的硅基技術(shù)。

一種新興的解決現(xiàn)代電源適配器需求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有源鉗位反激（ACF）。這使用可變頻率，使零電壓開關(guān)（ZVS）的超級(jí)結(jié)（SJ）FET跨越多個(gè)負(fù)載和線性條件。這采用安森美半導(dǎo)體新的NCP1568 AC-DC ACF脈寬調(diào)制（PWM）集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。將這一新器件與新的NCP51530高性能2A、700V半橋驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，為工程師提供一個(gè)平臺(tái)，為今后的電源適配器設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

NCP1568作為控制器，提供智能的電源系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)超高密度和高能效的電源設(shè)計(jì)。與ACF一樣，控制器在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作，提高輕載條件下的能效，同時(shí)待機(jī)功耗僅30 mW，使設(shè)計(jì)人員能夠達(dá)到符合現(xiàn)代能效規(guī)范的要求，包括歐盟CoC Tier 2。該設(shè)計(jì)針對(duì)實(shí)施USB PD而優(yōu)化，同時(shí)需要盡可能最少的外部電路。

工作頻率從100千赫到1兆赫，使設(shè)計(jì)人員可縮小磁性器件尺寸，功率密度是傳統(tǒng)的反激設(shè)計(jì)的兩倍。該方案采用SJ FET，峰值能效達(dá)93.5%，工作頻率達(dá)400kHz。NCP1568還可與eGaN FET一起使用，以提高開關(guān)頻率，從而更進(jìn)一步提高功率密度。

NCP1568提供智能和控制，NCP51530是集成的高、低邊驅(qū)動(dòng)器，在達(dá)700V的電壓提供兩個(gè)N溝道功率MOSFET的高效功率開關(guān)，從而在緊湊的空間實(shí)現(xiàn)高性能的電源方案。NCP51530適用于具有較短傳播延遲以及快速上升和下降時(shí)間的高頻工作。傳輸延遲（5ns）的嚴(yán)格匹配有助于提高所有應(yīng)用的能效。

USB PD規(guī)范很大程度上解決了許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致了今天使用的許多便攜式設(shè)備需要大量不同的適配器。這精簡(jiǎn)將使設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向?qū)Ｗ⒂谑惯@些適配器更小和更高效，防止它們的大小抵消在使便攜式設(shè)備更便攜方面的巨大改進(jìn)。

雖然想要轉(zhuǎn)向?qū)捊麕Ъ夹g(shù)如GaN，以應(yīng)對(duì)功率密度挑戰(zhàn)，但許多人認(rèn)為，在可靠性至關(guān)重要的領(lǐng)域，這是有風(fēng)險(xiǎn)的，主要原因是GaN仍然相對(duì)較新，而且尚未得到證實(shí)。

安森美半導(dǎo)體將NCP1568和NCP51530搭配，通過(guò)結(jié)合一個(gè)高能效的拓?fù)洌ˋCF）和減小器件大小的高頻工作，滿足當(dāng)前市場(chǎng)的需求。雖然這些優(yōu)勢(shì)是通過(guò)可靠的和已證實(shí)的硅基超級(jí)結(jié)FET實(shí)現(xiàn)的，但只要成熟，該方案也兼容GaN器件。

高性能和經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)的結(jié)合使得許多設(shè)計(jì)人員能夠消除便攜式設(shè)備的充電煩惱。