電源適配器不斷提升的快充性能，已經(jīng)成為各大品牌手機(jī)的性能亮點(diǎn)，不斷提升的性能背后是支持手機(jī)快充的電源適配器芯片的不斷創(chuàng)新。

PI最新推出的InnoSwitch4-Pro就是高性能數(shù)字化電源芯片的新標(biāo)尺。從InnoSwitch3-Pro，到InnoSwitch4-CZ再到InnoSwitch4-Pro，可實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率從100W提升到220W，其漏極峰值極限電流也從14A增加到26A，最大次級(jí)開(kāi)關(guān)頻率從145kHZ提升到了194kHz。

InnoSwitch4-Pro延續(xù)了InnoSwitch4-CZ的眾多優(yōu)點(diǎn)，集成一系列最新創(chuàng)新技術(shù)，引入具有多種智能保護(hù)功能的架構(gòu)革新的控制引擎，更加拓展了對(duì)外部電路的適應(yīng)性。在物料尺寸保持不變的情況下，輸出功率不斷突破極限，InnoSwitch4-Pro的最大輸出功率已經(jīng)可以達(dá)到220W，為手機(jī)、平板電腦以及筆記本適配器市場(chǎng)帶來(lái)更好的高效、小型化且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的新體驗(yàn)。以常用的筆記本電腦為例，供電功率在145W~200W之間，采用InnoSwitch4-Pro可以實(shí)現(xiàn)更小巧的便攜電源適配器的設(shè)計(jì)。

從工程師角度來(lái)看，InnoSwitch4-Pro采用氮化鎵PowiGaN技術(shù)、集成I2C接口的數(shù)字控制器，支持多種USB-PD協(xié)議。再配合MinE-CAP縮減電容尺寸的技術(shù)以及ClampZero有源鉗位技術(shù)，可以讓工程師做到完美巧妙地實(shí)現(xiàn)性能和成本的平衡。不僅能夠滿足更高的技術(shù)參數(shù)要求，還能降低系統(tǒng)綜合成本。

PI最令人印象深刻的是PowiGaN優(yōu)異的性能參數(shù)和高度的智能化控制引擎。以InnoSwith4-Pro INN4677F為例，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下的導(dǎo)通電阻最小可達(dá)0.145 歐姆，測(cè)試條件下漏極電容小于10pF。這樣的參數(shù)可以支持最高140 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，最大26A的峰值漏極電流。這樣可以在電源適配器中使用更小尺寸的變壓器，進(jìn)而減輕電源重量，縮小電源尺寸。而非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方式有源鉗位技術(shù)的采用可以保證電源在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)均可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），降低了開(kāi)關(guān)損耗，最終整體電源可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)95%的轉(zhuǎn)換效率。在電源適配器的設(shè)計(jì)中，功率電子元件高速通斷下的導(dǎo)通損耗是設(shè)計(jì)中熱管理的核心。當(dāng)采用了導(dǎo)通電阻很低的氮化鎵開(kāi)關(guān)后，可以大幅減小導(dǎo)通損耗，進(jìn)而最大程度地減小了元件所需耗散的熱量。在使用PCB板散熱的條件下，損耗的降低得以保證IC在利用本體散熱的情況下輸出更大的額定輸出功率。同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)中對(duì)散熱片、導(dǎo)熱材料的使用要求。這些綜合措施，使得采用InnoSwitch4-Pro 的電源適配器能夠在保持高性能的情況下做得更小巧、更耐用。良好的設(shè)計(jì)甚至可以實(shí)現(xiàn)安全不使用散熱片的產(chǎn)品。

PIInnoSwith4-Pro的另外一個(gè)特征就是高度集成的創(chuàng)新數(shù)字可編程控制引擎。InnoSwitch4-Pro系列產(chǎn)品在一次側(cè)集成了最高耐壓達(dá)750V的PowiGaN開(kāi)關(guān)以及驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)滿足隔離要求的內(nèi)置的磁感耦合反饋機(jī)制，將初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的控制器鏈接起來(lái)（如下圖）。次級(jí)側(cè)的智能控制器通過(guò)I2C接口與外部的微控制器連接，可以實(shí)現(xiàn)豐富的控制功能。滿足USB-PD以及其它各種私有協(xié)議，同時(shí)也可滿足即將推出的中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的UFCS融合快充協(xié)議。

InnoSwitch4-Pro是一款支持?jǐn)?shù)字控制的離線恒壓/恒流零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)反激式IC。與ClampZero芯片搭配可以實(shí)現(xiàn)有源鉗位反激設(shè)計(jì)。通過(guò)I2C總線與外部的微處理器通信，可以進(jìn)行精準(zhǔn)的電壓電流控制與設(shè)定，提供高精度的恒壓/恒流輸出。可實(shí)現(xiàn)10mV或者30mA檔位的電壓和電流精準(zhǔn)調(diào)整。具有更全面的故障監(jiān)測(cè)及功能設(shè)置，包括過(guò)溫保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、故障情況下的自動(dòng)重啟動(dòng)、輸入欠壓/過(guò)壓監(jiān)測(cè)、高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)延時(shí)設(shè)置、變頻軟起動(dòng)模式設(shè)置、零電壓開(kāi)關(guān)優(yōu)化設(shè)置、連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)設(shè)置等。這些靈活的設(shè)定方式適配更多的電路形式，進(jìn)而滿足不同應(yīng)用的特殊需求。這些完備的智能化，安全控制措施，完全集成在InnoSwitch4-Pro內(nèi)，工程師可以按照PI提供的用戶手冊(cè)，通過(guò)I2C總線對(duì)相應(yīng)的寄存器加以訪問(wèn)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)所需的具體規(guī)格及定制化的保護(hù)特性。

為充分發(fā)揮InnoSwitch4-Pro的智能化潛力，方便工程師快速設(shè)計(jì)滿足市場(chǎng)需求的電源適配器，PI還在官網(wǎng)提供了編號(hào)為DER-960開(kāi)源設(shè)計(jì)范例。以InnoSwitch4-Pro芯片INN4375F為核心，配合ClampZero芯片CPZ1075M以及功率因數(shù)校正芯片PFS5274，再加上英集芯公司的USB Type-C PD協(xié)議控制器IP2726S，實(shí)現(xiàn)了100W輸出功率的 USB PD 3.0適配器設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)以InnoSwitch4-Pro INN4375F為核心的反激變換部分的電路圖如下圖。

輸入電壓范圍為90~ 265 VAC。固定輸出PDO包括5V / 5A、9V / 5A、12V / 5A、15V / 5A、20V / 5A；動(dòng)態(tài)輸出范圍包括3.3V~21V / 5A (最大100 W)。這個(gè)設(shè)計(jì)方案的功率密度可達(dá)16.1W / in3，不含外殼的尺寸大小為3.42”x 2.04”x 0.89”。如下圖。

方案中的USB PD協(xié)議控制芯片為英集芯公司的IP2726S，實(shí)現(xiàn)了PD3.1的協(xié)議，如下圖。快充自動(dòng)監(jiān)測(cè)為快充PD3.1協(xié)議，支持PPS精細(xì)調(diào)壓，最大輸出功率63W。這個(gè)DER-960的硬件設(shè)計(jì)是最大可以支持100W的輸出功率，快充檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到微控制器芯片控制下，所實(shí)現(xiàn)的功能最大可以達(dá)到63W，這個(gè)數(shù)值可以通過(guò)為微控制器的指令安全的實(shí)現(xiàn)。高達(dá)140kHz的開(kāi)關(guān)頻率，使得輸出的紋波系數(shù)非常小，VPP可以低至28mV。

范例設(shè)計(jì)DER-960在空間設(shè)計(jì)上比較分散，便于工程師量測(cè)評(píng)估整體方案特性。如果以這個(gè)方案為藍(lán)本，結(jié)合智能控制器的參數(shù)匹配可以實(shí)現(xiàn)多樣的定制化的其它設(shè)計(jì)。如下圖，在物料上做了優(yōu)化，充分利用空間結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)散熱，可以實(shí)現(xiàn)如下更貼近實(shí)際商業(yè)化產(chǎn)品的范例設(shè)計(jì)方案。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，使用了更大輸出功率的InnoSwitch4-Pro芯片，無(wú)外殼工況下額定功率可達(dá)125W，PFC芯片額定輸出功率可達(dá)165W。設(shè)計(jì)中增加了散熱片和散熱填充劑以適應(yīng)安裝在密封外殼內(nèi)的125W額定功率要求。考慮到空間和成本，這個(gè)設(shè)計(jì)中并未采用有源鉗位版本的InnoSwitch4-Pro IC，而僅使用波谷開(kāi)通的準(zhǔn)諧振方式來(lái)降低初級(jí)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗。

對(duì)比DER-960設(shè)計(jì)方案的元件選擇變化如下，

這樣就實(shí)現(xiàn)了更高集成度的設(shè)計(jì)，如下圖所示。把DER-960（右側(cè)，最大輸出功率100W）、基于DER-960的優(yōu)化設(shè)計(jì)（左下，最大輸出功率125W）、蘋(píng)果手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)充電適配器（左上，輸出功率5W）放在一起對(duì)比，高功率輸出的InnoSwitch4-Pro方案，其尺寸精簡(jiǎn)效果一目了然。

采用快充電壓電流監(jiān)測(cè)儀測(cè)試如下圖，同樣監(jiān)測(cè)出該設(shè)計(jì)支持快充協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)PPS調(diào)壓。經(jīng)過(guò)優(yōu)化以后的紋波系數(shù)表現(xiàn)更好。

經(jīng)檢測(cè)，在這個(gè)快充芯片支持下，可以實(shí)現(xiàn)的5V，9V，12V，15V，20V的逐檔充電電壓調(diào)整，其中模式6還支持3.3~21V的分步電壓調(diào)整，最大可以支持3A的額定電流。實(shí)際的輸出電流是由充電負(fù)載決定的，在充電負(fù)載可以承受時(shí)，可以支持的最大電流應(yīng)該可以達(dá)到5A，達(dá)到100W的輸出功率。

專注于電源適配器技術(shù)創(chuàng)新的PI在InnoSwitch4-Pro中，將PI多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行高集成度整合，并采取吸納了多項(xiàng)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供了成熟的參考設(shè)計(jì)，助力設(shè)計(jì)者快速開(kāi)發(fā)，提供可以滿足最終用戶信賴的新產(chǎn)品。同時(shí)，更廣泛技術(shù)運(yùn)用的發(fā)展前景尤其值得期待。需要強(qiáng)調(diào)的是，PI是目前唯一一家在功率器件當(dāng)中集成了數(shù)字控制電路的半導(dǎo)體廠商。使得智能化、數(shù)字化電源的集成度達(dá)到了新高，為功率變換行業(yè)IC的研發(fā)樹(shù)立了新的標(biāo)桿。

審核編輯 ：李倩