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    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)

    發(fā)布時(shí)間:2021-01-20 責(zé)任編輯:wenwei

    【導(dǎo)讀】在計(jì)劃寫本篇博客時(shí),我在谷歌趨勢中輸入了“Type-C”。如圖1所示,自2015年以來對(duì)這一詞語的興趣一直在上升。USB Type-C設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中也越來越流行,許多流行的手機(jī)和平板電腦采用USB Type-C接口。我預(yù)計(jì)在未來幾年采用USB Type-C接口的產(chǎn)品將迅速增加。
     
    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)
    圖1:谷歌趨勢上的興趣走勢圖(關(guān)鍵詞:Type-C)
     
    USB Type-C設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中也越來越流行,許多流行的手機(jī)和平板電腦采用USB Type-C接口。我預(yù)計(jì)在未來幾年采用USB Type-C接口的產(chǎn)品將迅速增加。
     
    為什么功率為15W(5V3A)?
     
    除了具有正反都可插的插頭,USB Type-C可提供比以往任何USB版本更大的功率。雖然對(duì)于USB 3.1和USB充電,USB Type-C可支持高達(dá)100W的功率,但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)選擇功能,保持合理的整體成本。
     
    USB Type-C接口采用了15W功率,是標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0充電速率的六倍。
     
    對(duì)于大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦,15W已經(jīng)足夠,而且成本合理。 
     
    二極管整流和PSR被廣泛用于電流低于2A的適配器
     
    以前的手機(jī)電源適配器的正常的功率為5V/2A或更低。因?yàn)楹唵危梢匀コ飧綦x器和可編程基準(zhǔn),初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)(PSR)常常用于AC/DC轉(zhuǎn)換。因?yàn)樨?fù)載電流不高,在這個(gè)功率水平上使用了二極管整流器。圖2為帶二極管整流的簡化PSR電路圖。
     
    簡化電路圖
     
    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)
    圖2:帶二極管整流的UCC28704典型應(yīng)用電路
     
    同步整流(SR)是解決5V/3A適配器PSR設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的最佳選擇
     
    PSR消除了對(duì)次級(jí)側(cè)反饋元件和光學(xué)耦合器的需求,從而節(jié)省了成本。然而,采用PSR+SR的設(shè)計(jì)并不像只使用PSR一樣簡單。
     
    大多數(shù)PSR控制器會(huì)在次級(jí)二極管的電流變?yōu)榱銜r(shí)檢測的拐點(diǎn)輔助線圈的電壓,因?yàn)檩o助線圈上的電壓最接近VOUT/Na,其中Na是輔助線圈與次級(jí)線圈的比率。
     
    如果使用SR,在次級(jí)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后,體二極管導(dǎo)通時(shí)輔助線圈上會(huì)發(fā)生電壓凸點(diǎn),請(qǐng)參考圖3。這凸點(diǎn)將影響對(duì)PSR檢測機(jī)制,引起穩(wěn)定性問題,可能表現(xiàn)為異常紋波。
     
    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)
    圖3:輔助線圈電壓波形細(xì)節(jié)
     
    如何穩(wěn)定PSR+SR
     
    為了穩(wěn)定PSR + SR,UCC28704(PSR控制器)數(shù)據(jù)表可以讓SR驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定工作變得更簡單,需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的參數(shù)有tBW、tDMAG和工作頻率。其中tBW是SR凸點(diǎn)寬度,tDMAG是次級(jí)整流器導(dǎo)通時(shí)間。
     
    當(dāng)使用帶有SR的UCC28704時(shí),決定最大開關(guān)頻率的關(guān)鍵參數(shù)是基于tDMAG(min)確定的。tDMAG(min)需要大于2.45μs,包括750ns的SR凸點(diǎn)寬度(tBW)。內(nèi)部電路需要750ns(tBW)過濾掉VS引腳波形上檢測到的由MOSFET體二極管導(dǎo)通引起的SR凸點(diǎn)變化。
     
    在恒流工作的起始點(diǎn)測得的相應(yīng)開關(guān)頻率不應(yīng)大于55kHz。
     
    采用UCC28704(PSR控制器)和UCC24636(SR控制器)的5V/3A設(shè)計(jì)
     
    根據(jù)上述指導(dǎo)原則,我設(shè)計(jì)了如圖4所示的5V/3A電路板。其紋波低于150mV,效率曲線如圖5所示。
     
    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)
    圖4:符合OE6和COC V5 Tier 2標(biāo)準(zhǔn)的TI Design通用交流輸入至5V/3A輸出參考設(shè)計(jì)電路原理圖
     
    USB充電器的過去與現(xiàn)在:Type-C達(dá)到能源效率標(biāo)準(zhǔn)
    圖5:效率曲線
     
    在115VAC和230VAC輸入的150mΩ電纜端測量的四點(diǎn)平均效率分別為83.4%和83.2%。
     
    COC Tier 2 2016標(biāo)準(zhǔn)要求為滿載時(shí)效率為81.8%,10%負(fù)載時(shí)效率為72.5%。
     
    該電路板可以滿足CoC Tier2標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)要求,即使使用150mΩ電纜也足以滿足標(biāo)準(zhǔn)。
     
    總結(jié)
     
    遵循UCC28704數(shù)據(jù)表中的指導(dǎo)原則,可以克服這些限制,制作出低成本的PSR + SR設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)USB Type-C適配器具有足夠高的效率。
     
     
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