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快充市场持续增长,智能反激式开关IC为电源带来更高效率

02/02 10:28
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快充市场持续增长下,挑战不断

在手机充电器市场稳步向前,笔记本适配器市场持续增长,以及家电和智能家具等新兴市场不断突破的背景下,快充功率变换市场迎来规模性成长机遇。

也许在大家的印象中,电源就是一个硬件产品,但如今随着负载的不断丰富,电源智能化正在成为一种主流趋势,可编程电源市场反响很好。

根据Power Integrations分享的数据,2023年全球USB PD控制器IC的发货量约为24亿颗,到2024年这一数量将增长至30亿颗左右。

图 | 全球每年USB PD控制器IC的发货量,图源:Power Integrations

与此同时,市场的增长和变化也给设计者带来了诸多挑战,并且这些挑战是相互矛盾的,包括要求输出功率不断增大,从原来的30W、50W、100W,到现在的240W,而这与体积更小、成本更低的要求本质上是矛盾的。

此外,快充协议标准呈现出日益多样化的特性,当前全世界范围内使用最多的是欧盟和北美推行的USB PD和 PPS 3.1,最高功率已经要求达到240W/48V,但市场上还没有太多48V的用电设备,最多的还是28V的产品。

立足中国市场,由于很难找到一套方案能满足所有的应用需求,所以我们看到早期各个大厂都在推出自己的快充协议,包括OPPO的VOOC协议、vivo的VFC协议、华为的SCP协议。为了改变各种充电协议互不兼容的局面,中国信通院就与终端快充行业协会联合,推出了UFCS融合快充协议,并在迅速被行业采纳。

离线反激式开关IC为电源注入神奇魔力

为了进一步提高效率,满足系统设计者对电源灵活性的要求,Power Integrations近日推出了InnoSwitch™5-Pro系列高效率、可数字控制的反激式开关IC

图 | InnoSwitch™5-Pro,图源:Power Integrations

这款单芯片开关IC采用创新的次级侧控制方式,无需额外使用高成本的专用高压开关即可实现零电压开关(ZVS),效率超过95%。这款新IC内部集成750V或900V PowiGaN™初级开关、初级侧控制器、FluxLink™隔离反馈功能和具有I2C接口的次级控制器,可优化紧凑型、高效率单口或多口USB PD适配器的设计和制造。其应用领域包括笔记本电脑、高端手机和其他便携式消费电子产品,包括要求支持新的USB PD EPR(扩展功率范围)协议的设计。

图 | InnoSwitch™5-Pro方案架构,图源:Power Integrations

对此,PI资深技术培训经理Jason Yan表示:“InnoSwitch5-Pro能实现95%的效率,主要是采用了GaN的功率开关,以及零电压开关(ZVS),大大降低了功率开关管的开关损耗。”

事实上,开关损耗的降低不仅可以有效提升效率,还有助于降低IC的温升,使设计人员能够省去热管理所需的散热片、导热片和灌封材料,从而进一步减小尺寸,降低元件成本和制造复杂性。

根据Jason Yan的介绍,GaN方案下,系统设计中所需的元件数量远少于非对称半桥(AHB)电路或有源钳位方案。例如,Power Integrations曾展示过一款140W/28V的USB PD适配器,就是采用了GaN方案,它仅使用了106个元件,体积只有4.2立方英寸(约68.8立方厘米)。

图 | InnoSwitch™5-Pro 140W参考设计(USB PD),图源:Power Integrations

同时,InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓扑相对于AHB从电路上更加容易实现,并且在通用输入电压下无论是否使用PFC级均可正常工作。

对此,Jason Yan解释道:“AHB电路的设计需要有一定的设计能力,因为现在很多USB PD的输出都是可变电压和可变电流的,对所有组合的输出电压、电流进行优化,实现最高效率,对设计者来讲很有挑战。而InnoSwitch5-Pro反激式开关IC的次级侧具有无损耗输入电压检测功能,可进行自适应的DCM/CCM和ZVS控制,从而在整个输入电压和负载范围内提高效率并简化设计。”

图 | ZVS控制与QR方案相比,效率表现更好,图源:Power Integrations

值得一提的是,InnoSwitch5-Pro还具有产品下线后输出公差的补偿功能,可实现优于2%的高精度输出恒流(CC)控制,以支持UFCS协议。

根据以上特性,InnoSwitch5-Pro系列反激式开关IC的主要市场包括有高功率密度要求且需满足USB PD 3.1扩展功率范围(EPR)、UFCS和其它多种充电协议的适配器、笔记本电脑适配器以及非原装单口和多口输出的充电器和适配器。

图 | InnoSwitch™5-Pro型号,图源:Power Integrations

据悉,InnoSwitch5-Pro器件已开始出货,售价方面,基于10,000片的订货量单价为每片2.40美元。

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Power Integrations, Inc.是一家专注于高压电源管理及控制领域的高性能电子元器件及电源方案的供应商,总部位于美国硅谷。

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电子产业图谱

与非网副主编 通信专业出身,从事电子研发数余载,擅长从工程师的角度洞悉电子行业发展动态。