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快充市場持續(xù)增長下，挑戰(zhàn)不斷
在手機(jī)充電器市場穩(wěn)步向前，筆記本適配器市場持續(xù)增長，以及家電和智能家具等新興市場不斷突破的背景下，快充功率變換市場迎來規(guī)模性成長機(jī)遇。
也許在大家的印象中，電源就是一個硬件產(chǎn)品，但如今隨著負(fù)載的不斷豐富，電源智能化正在成為一種主流趨勢，可編程電源市場反響很好。
根據(jù)Power Integrations分享的數(shù)據(jù)，2023年全球USB PD控制器IC的發(fā)貨量約為24億顆，到2024年這一數(shù)量將增長至30億顆左右。
圖 | 全球每年USB PD控制器IC的發(fā)貨量，圖源：Power Integrations
與此同時，市場的增長和變化也給設(shè)計者帶來了諸多挑戰(zhàn)，并且這些挑戰(zhàn)是相互矛盾的，包括要求輸出功率不斷增大，從原來的30W、50W、100W，到現(xiàn)在的240W，而這與體積更小、成本更低的要求本質(zhì)上是矛盾的。
此外，快充協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出日益多樣化的特性，當(dāng)前全世界范圍內(nèi)使用最多的是歐盟和北美推行的USB PD和 PPS 3.1，最高功率已經(jīng)要求達(dá)到240W/48V，但市場上還沒有太多48V的用電設(shè)備，最多的還是28V的產(chǎn)品。
立足中國市場，由于很難找到一套方案能滿足所有的應(yīng)用需求，所以我們看到早期各個大廠都在推出自己的快充協(xié)議，包括OPPO的VOOC協(xié)議、vivo的VFC協(xié)議、華為的SCP協(xié)議。為了改變各種充電協(xié)議互不兼容的局面，中國信通院就與終端快充行業(yè)協(xié)會聯(lián)合，推出了UFCS融合快充協(xié)議，并在迅速被行業(yè)采納。
離線反激式開關(guān)IC為電源注入神奇魔力
為了進(jìn)一步提高效率，滿足系統(tǒng)設(shè)計者對電源靈活性的要求，Power Integrations近日推出了InnoSwitch?5-Pro系列高效率、可數(shù)字控制的反激式開關(guān)IC。
圖 | InnoSwitch?5-Pro，圖源：Power Integrations
這款單芯片開關(guān)IC采用創(chuàng)新的次級側(cè)控制方式，無需額外使用高成本的專用高壓開關(guān)即可實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，效率超過95%。這款新IC內(nèi)部集成750V或900V PowiGaN?初級開關(guān)、初級側(cè)控制器、FluxLink?隔離反饋功能和具有I2C接口的次級控制器，可優(yōu)化緊湊型、高效率單口或多口USB PD適配器的設(shè)計和制造。其應(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。
圖 | InnoSwitch?5-Pro方案架構(gòu)，圖源：Power Integrations
對此，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan表示：“InnoSwitch5-Pro能實現(xiàn)95%的效率，主要是采用了GaN的功率開關(guān)，以及零電壓開關(guān)（ZVS），大大降低了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗?！?/p>
事實上，開關(guān)損耗的降低不僅可以有效提升效率，還有助于降低IC的溫升，使設(shè)計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。
根據(jù)Jason Yan的介紹，GaN方案下，系統(tǒng)設(shè)計中所需的元件數(shù)量遠(yuǎn)少于非對稱半橋(AHB)電路或有源鉗位方案。例如，Power Integrations曾展示過一款140W/28V的USB PD適配器，就是采用了GaN方案，它僅使用了106個元件，體積只有4.2立方英寸（約68.8立方厘米）。
圖 | InnoSwitch?5-Pro 140W參考設(shè)計（USB PD），圖源：Power Integrations
同時，InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓?fù)湎鄬τ贏HB從電路上更加容易實現(xiàn)，并且在通用輸入電壓下無論是否使用PFC級均可正常工作。
對此，Jason Yan解釋道：“AHB電路的設(shè)計需要有一定的設(shè)計能力，因為現(xiàn)在很多USB PD的輸出都是可變電壓和可變電流的，對所有組合的輸出電壓、電流進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)最高效率，對設(shè)計者來講很有挑戰(zhàn)。而InnoSwitch5-Pro反激式開關(guān)IC的次級側(cè)具有無損耗輸入電壓檢測功能，可進(jìn)行自適應(yīng)的DCM/CCM和ZVS控制，從而在整個輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)提高效率并簡化設(shè)計?！?/p>
圖 | ZVS控制與QR方案相比，效率表現(xiàn)更好，圖源：Power Integrations
值得一提的是，InnoSwitch5-Pro還具有產(chǎn)品下線后輸出公差的補(bǔ)償功能，可實現(xiàn)優(yōu)于2%的高精度輸出恒流(CC)控制，以支持UFCS協(xié)議。
根據(jù)以上特性，InnoSwitch5-Pro系列反激式開關(guān)IC的主要市場包括有高功率密度要求且需滿足USB PD 3.1擴(kuò)展功率范圍(EPR)、UFCS和其它多種充電協(xié)議的適配器、筆記本電腦適配器以及非原裝單口和多口輸出的充電器和適配器。
圖 | InnoSwitch?5-Pro型號，圖源：Power Integrations
據(jù)悉，InnoSwitch5-Pro器件已開始出貨，售價方面，基于10,000片的訂貨量單價為每片2.40美元。
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