PI推出高度集成的USB PD單芯片解決方案

（文/程文智）近期PI推出了一款內(nèi)置了USB PD控制器的InnoSwitch3-PD系列反激式開關(guān)IC，新的IC采用了超薄的InSOP-24D封裝，內(nèi)部集成了USB-C和PD控制器、高壓PowiGaN開關(guān)、多模式準(zhǔn)諧振反激式控制器、次級(jí)側(cè)檢測(cè)電路、FluxLink隔離式數(shù)字反饋電路和同步整流驅(qū)動(dòng)器等功能電路。

據(jù)PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan介紹，InnoSwitch3-PD是一個(gè)簡(jiǎn)化BOM的PD應(yīng)用方案，只需要單顆IC加一些外圍器件就能構(gòu)建一個(gè)PD快充解決方案，該IC可以直接連接到Type-C接口，并與外接設(shè)備進(jìn)行通信，也就是說(shuō)新的InnoSwitch3-PD講微控制器集成到了IC內(nèi)部。

高度集成的USB PD單芯片解決方案

根據(jù)PI公布的InnoSwitch3-PD快充方案原理圖，其BOM確實(shí)比較簡(jiǎn)單，原因是InnoSwitch3-PD本身的集成度變高了，該芯片同時(shí)兼顧了功率器件和數(shù)字器件，內(nèi)部集成了高壓MOS管、還有兩個(gè)電源控制器、微控制器等。

在初級(jí)側(cè)，InnoSwitch3-PD集成了高壓MOS開關(guān)，且對(duì)于功率比較大的應(yīng)用場(chǎng)景，高壓MOS開關(guān)換成了GaN開關(guān)。支持多模式QR和CCM工作方式。

Jason談到多模式工作方式時(shí)特別之處，反激式電源應(yīng)用中還需要進(jìn)行一些優(yōu)化，比如說(shuō)當(dāng)電源工作在CCM模式下時(shí)，在初級(jí)側(cè)有個(gè)功率開關(guān)，次級(jí)側(cè)有一個(gè)同步整流開關(guān)，這兩個(gè)開關(guān)是不能同時(shí)開通的，如果同時(shí)開通了，電源就有可能會(huì)炸掉。

“我們用一個(gè)控制器同時(shí)控制兩個(gè)功率開關(guān)，這樣可以保證它們的時(shí)序不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)開通的情況。這樣就可以保證電源的可靠性?！盝ason對(duì)媒體表示。

圖：?jiǎn)涡酒琍D快充解決方案原理圖（來(lái)源：PI）

在次級(jí)側(cè)，InnoSwitch3-PD可以直接驅(qū)動(dòng)同步整流開關(guān)，這樣做效率更高，也更加安全可靠。

在PD應(yīng)用中，輸出負(fù)載一般會(huì)有一個(gè)功率開關(guān)，只有當(dāng)Type-C接口有設(shè)備接入的時(shí)候，比如接上了手機(jī)，這個(gè)開關(guān)就會(huì)開通。而一旦檢測(cè)到是空載的情況時(shí)，開關(guān)就會(huì)關(guān)閉，輸出端將不會(huì)有電壓出現(xiàn)。InnoSwitch3-PD內(nèi)部集成了一個(gè)N通道負(fù)載開關(guān)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，該芯片還提供了放電路徑，一旦負(fù)載拔掉后，電容上的電量就可以通過(guò)該內(nèi)部放電電路泄放掉，以保證輸出端始終是安全電壓。

InnoSwitch3-PD在次級(jí)側(cè)還集成了USB Type-C和PD控制器。控制器的主要工作是：

一是負(fù)載類型的檢測(cè)，判斷負(fù)載是有源負(fù)載還是無(wú)源負(fù)載。

二是做E-marker電纜檢測(cè)，因?yàn)門ype-C電纜有不同的輸出規(guī)格，支持5A及以上電流的電纜內(nèi)部需要放置一顆IC，目的是讓連接端的設(shè)備對(duì)電纜進(jìn)行識(shí)別，如果電纜中有IC存在，就表明可以送出5A的電流。同時(shí)PD控制器也需要對(duì)電纜做出判別，判斷目前的電纜是只允許3A的電流輸出，還是可以做到5A。一般來(lái)說(shuō)100W的PD快充就要做到20V/5A，此時(shí)電纜就一定要有E-marker芯片在內(nèi)。

此外，PD控制器還有一個(gè)作用，那就是對(duì)VBUS/VCONN開關(guān)進(jìn)行控制。因?yàn)槿绻娎|中有E-marker芯片的話，就需要對(duì)其進(jìn)行供電，VCONN就是這樣的一個(gè)供電端。Jason Yan特別指出，這里僅為一個(gè)供電電源，支持PPS，即可編程電源，可對(duì)電壓和電流進(jìn)行精確的設(shè)定。

在CC1和CC2引腳上可進(jìn)行代碼傳輸，額定電壓最大可達(dá)28V。其實(shí)，在PD應(yīng)用中，目前最高的電壓是20V，因此該電壓是安全的，如果有更高的電壓進(jìn)來(lái)的話，它會(huì)提供OVP保護(hù)，內(nèi)部集成了VCONN供電。

Jason還特別提到一個(gè)有意思的點(diǎn)，那就是InnoSwitch3-PD內(nèi)部有一個(gè)溫度檢測(cè)輸入，可以檢測(cè)電源系統(tǒng)中每個(gè)地方的溫度，因?yàn)檫@個(gè)檢測(cè)元件是可以根據(jù)需要放置在任何地方的，如果放到整流管上，就能測(cè)量整流管的溫度，如果放在Type-C連接器上，就能檢測(cè)連接器的溫度。

對(duì)于PD的輸出電壓和電流，則可以根據(jù)CC1或者CC2的指令來(lái)設(shè)定。Jason表示，輸出電壓經(jīng)過(guò)VOUT檢測(cè)之后，進(jìn)行閉環(huán)控制，可以做到非常精確，比如說(shuō)你需要5.32V的電壓，PD電源就可以精確地調(diào)整到5.32V輸出。具體來(lái)說(shuō)，在電壓方面，可做到3~24V之間可調(diào)，檔位壓差是10mV；恒流控制方面，電流可以在最大輸出值的20%~100%之間進(jìn)行調(diào)整，電流的檔位是最大輸出值的0.8%。

Jason解釋說(shuō)，電流和電壓都可以精確控制其實(shí)是有一個(gè)非常大好處的。他舉例說(shuō)，手機(jī)在充電的時(shí)候，手機(jī)會(huì)發(fā)燙，原因一是電池在發(fā)熱，二是手機(jī)內(nèi)部有一個(gè)電源管理IC，該IC其實(shí)是一個(gè)DCDC降壓電路，它的作用是將充電器輸入進(jìn)來(lái)的電壓降至電池所需要的電壓，而這個(gè)降壓過(guò)程其實(shí)是有損耗的，這個(gè)損耗就會(huì)以熱量的形式散發(fā)出來(lái)。

而如果輸入電壓和電流可以精確控制了的話，那么，手機(jī)中的這顆電源管理IC就可以省掉了。當(dāng)然，Jason也承認(rèn)，目前并沒(méi)有手機(jī)廠商將這顆電源管理IC去掉，因?yàn)樗鼈冃枰嫒莶煌某潆娖?，單不排除以后都是PD充電器時(shí)，會(huì)省掉該芯片。

相比其他解決方案所需總元件數(shù)更少

由于集成度提高了，總體方案所需要的元件數(shù)量也大幅降低。據(jù)Jason介紹，使用InnoSwitch3-PD的PD解決方案，不論是跟競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，還是跟PI的前一代產(chǎn)品相比，所需要的總原件數(shù)量都降低了。

他拿一款60W的PD快充解決方案舉例，新的InnoSwitch3-PD在初級(jí)側(cè)需要35顆元件、次級(jí)側(cè)需要16顆元件、USB-PD接口端需要9顆元件，全部加起來(lái)是60顆元件。而PI前一代產(chǎn)品的數(shù)量是79，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的解決方案甚至到了124顆。

Jason還強(qiáng)調(diào)，這還不是最低的，如果是做20W的PD快充，其實(shí)只需要44顆元件就能搞定。

“元件數(shù)量的降低，并不表示性能降低了，我們的解決方案效率最高可達(dá)95%，空載功耗低至14mW、輸出功率可達(dá)100W，且無(wú)需散熱片?！彼院赖乇硎尽?/p>

InnoSwitch3-PD適用于快充應(yīng)用的主要特性

InnoSwitch3-PD是專為PD快充應(yīng)用打造的，首先，其內(nèi)部集成的USB PD控制器支持USB PD 3.0+PPS和QC4.0協(xié)議，具有一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器；其次，其內(nèi)部集成的Type-C控制器可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，它符合USB Type-C Rev. 1.3標(biāo)準(zhǔn)（上拉電流源用于負(fù)載和線纜檢測(cè)，VCONN供電用于電子標(biāo)簽線纜），CC1/CC2具有過(guò)壓保護(hù)；三是該芯片提供所有必須的USB-PD和PPS功能，省去了軟件和接口電路的開發(fā)時(shí)間和成本；四是具備用于NTC電阻的專用溫度檢測(cè)引腳。

在輸出功率方面，最高可支持100W輸出。根據(jù)PI提供的信息，在最大輸出功率為40W或45W以下時(shí)，可選用內(nèi)置MOS開關(guān)的INN3865C、INN3866C、INN3867C這三個(gè)型號(hào)；如果輸出功率在55W以上，建議選用內(nèi)置PowiGaN開關(guān)的INN3878C、INN3879C及INN3870C幾個(gè)型號(hào)。

為了滿足不同的市場(chǎng)需求，InnoSwitch3-PD提供了多款元件型號(hào)，可適用于PDO和APDO的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

最后，Jason還特別介紹了PI的兩個(gè)參考設(shè)計(jì)DER-837和RDR-838。其中DER-837是一款45W的PD3.0+PPS解決方案，元件數(shù)量是54，空載輸入功耗小于20mW，與DOE6和CoC v5 2016標(biāo)準(zhǔn)相比有高出2.5%以上的裕量。

RDR-838則是一款60W的PD 3.0+PPS解決方案，元件數(shù)量是61，空載輸入功耗小于35mW，與DOE6和CoC v5 2016標(biāo)準(zhǔn)相比有高出2%以上的裕量。

結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，PI延續(xù)了其一貫的策略，就是幫助客戶較少BOM表中的元件數(shù)量，InnoSwitch3-PD也不例外，接下來(lái)就看客戶的接受程度如何了。