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Como projetar carregadores USB-C PD e PPS

A pressão sobre o desenvolvedor é implacável – desenvolver carregadores e adaptadores cada vez menores que forneçam funcionalidade completa de USB-C Power Delivery (PD), Programmable Power Supply (PPS) e tempos de carregamento mais rápidos para smartphones, tablets, notebooks e outros dispositivos portáteis. As chaves para projetar carregadores e adaptadores menores incluem reduzir a quantidade de componentes e maximizar a eficiência – fácil de dizer, difícil de alcançar.

Com os novos protocolos USB, não é suficiente fornecer uma solução de conversão de energia compacta e altamente eficiente com baixo consumo de energia quiescente. Os novos protocolos de alimentação USB exigem comunicação bidirecional precisa entre o dispositivo que está sendo alimentado e a fonte de alimentação. O USB PD permite que a carga e a fonte de alimentação definam vários níveis de fornecimento de energia e tensão com a especificação USB PD 3.1 permitindo até 240 W. O PPS é voltado principalmente para o carregamento mais rápido de baterias e vai um passo além, permitindo que a carga solicite alterações enquanto o fornecimento de energia está ativo para otimizar continuamente o perfil de carregamento. A otimização do perfil de carga significa tensão de micropasso em incrementos de 20 mV e corrente de micropasso em incrementos de 50 mA.

Para implementar protocolos avançados de alimentação USB, historicamente os desenvolvedores tem empregado um CI controlador USB dedicado, ou microcontrolador, além do controlador flyback. Há também a necessidade de comunicação de baixa latência entre os dois CIs, garantindo que a solução geral esteja em conformidade com os protocolos USB.

Problema resolvido

Para enfrentar esses desafios, os designers agora podem recorrer a uma família de CIs de chaveadores flyback altamente integrados e com controladores PD USB no chip. A família de CIs InnoSwitch™3-PD da Power Integrations é a solução mais integrada para fontes USB Type-C, PD e PPS que incorpora um controlador USB-C e PD, além da chave de potência no primário e controlador multimodo flyback quasi-ressonante (Figura 1). Dependendo do modelo, os desenvolvedores têm a opção de uma chave MOSFET de silício ou PowiGaN™, juntamente com detecção no secundário, controle digital isolado FluxLink™ e um driver de retificação síncrona.

Figura 1: InnoSwitch3-PD reduz a lista de materiais e simplifica o design de adaptadores USB-C PD e PPS.

Projetos baseados em CIs InnoSwitch3-PD atendem a todos os regulamentos globais de eficiência energética e têm baixo consumo de energia sem (~ 14 mW). A baixa dissipação térmica desses projetos elimina a necessidade de dissipadores de calor grandes e caros, contribuindo para tamanhos de solução diminutos e baixo custo total da solução. A regulação rápida e precisa do lado secundário é suportada pelo link de feedback de alta velocidade FluxLink da Power Integrations. O monitoramento de tensão de entrada e saída permite proteção precisa contra queda de tensão na entrada e saída, além de sobretensão na entrada e detecção de falha de sobretensão e subtensão de saída com respostas de falha configuráveis ​​pelo desenvolvedor. O pacote compacto InSOP™-24D mede apenas 10,8 mm × 9,4 mm × 1,6 mm de altura. A família InnoSwitch3-PD inclui três CIs com MOSFETs de silício de 650 V integrados e três com chaves de nitreto de gálio (GaN) de 750 V PowiGaN integrados (consulte a Tabela 1).

Tabela 1: Os controladores InnoSwitch3-PD estão disponíveis para uma ampla variedade de níveis de potência de adaptador USB-C PD + PPD e faixas de tensão de entrada e incluem três CIs com MOSFETs de silício de 650 V integrados e três com chaves de nitreto de gálio PowiGaN de 750 V integrados.

Acelere seu time-to-market com desenhos de referência

Para impulsionar o desenvolvimento de minúsculos adaptadores e carregadores USB-C PD + PPS e acelerar o time-to-market, os designers podem escolher entre uma variedade de designs de referência, incluindo aplicações de 100 W, 65 W, 60 W, 45 W e 30 W. Cada um dos projetos a seguir apresenta um switch PowiGaN de 750 V integrado. Todos esses projetos têm uma faixa de tensão de entrada de 90 a 265 VAC; e atende aos requisitos de eficiência média DOE-6 e CoC v5 2016 e às limitações de EMI conduzida CISPR22 / EN55022 Classe B.

DER-937: Fonte de alimentação USB PD 3.0 de 100 W

Esse projeto (Figura 2) produz saída PPS de 3,3 V – 21 V usando o INN3870C-H302 InnoSwitch3-PD baseado em GaN. Incorpora alta densidade de potência (15 W/in3) e eficiência (até 93,2%) que são possíveis devido ao alto nível de integração dos controladores HiperPFS™-4 e InnoSwitch3-PD. Os recursos de fonte USB PD/PPS são:

  • PDO1: 5 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 9 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 12 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO3: 15 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO4: 20 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO5: 3,3 V – 21 V / 5 A (fonte de alimentação programável, potência de 100 W limitada)
Figura 2: Projeto de referência DER-937 fornece 100 W e um controlador integrado usando 121 componentes.

DER-916: Dual USB-C de 65 W com compartilhamento de corrente

Este projeto de referência (Figura 3) é baseado no INN3370C-H302 e mede apenas 2,36” × 1,57” × 0,8.” 65 W está disponível em ambas as portas Tipo-C; eficiência de ponta a ponta em plena carga está acima de 92%, e 5 V / 9 V / 12 V /A operação de 15 V / 20 V é suportada em ambas as portas, sem conversores DC-DC. Os recursos de fonte USB PD são:

  • Saída de porta única:
    • 5 V / 3 A, 9 V / 3 A, 12 V / 3 A, 15 V / 3 A, 20 V / 3,25 A
  • Saída de porta dupla (potência limitada a 65 W):
    • Porta 1: 5 V / 3 A, 9 V / 3 A, 12 V / 3 A, 15 V / 3 A, 20 V / 2,25 A
    • Porta 2: 5 V / 3 A, 9 V / 2,22 A, 12 V / 1,66 A, 15 V / 1,33 A, 20 V / 1 A
Figura 3: Projeto de referência DER-916 fornece 65 W de potência de porta dupla usando 134 componentes.

RDR-838: Fonte de alimentação USB PD 3.0 de 60 W

Este projeto de referência (Figura 4) tem 61 componentes e mede 2,24” (57 mm) × 2,24” (57 mm) × 0,76” (19,2 mm) para uma densidade de potência de 15,7 W/pol3. O design usa o dispositivo INN3879C InnoSwitch3-PD com um controlador USB PD integrado.

  • PDO1: 5 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 9 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO3: 15 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO4: 20 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO5: 3,3 V – 21 V / 3 A (fonte de alimentação programável)
Figura 4: Projeto de referência RDR-838 fornece 60 W de potência usando apenas 61 componentes.

DER-837: Fonte de alimentação USB PD 3.0 de 45 W

Este exemplo de design (Figura 5) usa um IC InnoSwitch3-PD INN3879C. Requer apenas 54 componentes, fornece uma densidade de potência de 14,0 W/pol3 e mede 1,89” (48 mm) × 1,81” (46 mm) × 0,94” (23,8 mm). Os recursos de fonte USB PD/PPS são:

  • PDO1: 5 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 9 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO3: 15 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO4: 20 V / 2,25 A (alimentação fixa)
  • PDO5: 3,3 V – 11 V / 5 A (fonte de alimentação programável, 45 W de potência limitada)
  • PDO6: 3,3 V – 16 V / 3 A (fonte de alimentação programável)
  • PDO7: 3,3 V – 21 V / 2,25 A (fonte de alimentação programável)
Carregadores USB-C
Figura 5: Projeto de referência DER-837 fornece 45 W de potência usando apenas 54 componentes.

DER-836: Fonte de alimentação USB PD 3.0 de 30 W

Este exemplo de design (Figura 6) usa um IC InnoSwitch3-PD INN3878C. O adaptador mede 1,73” (44 mm) × 1,73” (44 mm) × 0,817” (21 mm) para uma densidade de potência de 12,27 W/pol3. O projeto tem potência de entrada sem carga <18mW a 230 VCA. Ele usa apenas 59 componentes, contribuindo para a alta densidade de potência. Os recursos de fonte USB PD/PPS são:

  • PDO1: 5 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 9 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO3: 12 V / 2,5 A (alimentação fixa)
  • PDO4: 15 V / 2,0 A (alimentação fixa)
  • PDO5: 20 V / 1,5 A (alimentação fixa)
  • PDO6: 3,3 V – 11 V / 3 A (fonte de alimentação programável, 30 W de potência limitada)
  • PDO7: 3,3 V – 16 V / 2 A (fonte de alimentação programável)
Carregadores USB-C
Figura 6: Projeto de referência DER-836 fornece 30 W de potência usando apenas 59 componentes.

O Supremo

Para o máximo em desempenho, a Power Integrations também oferece a família InnoSwitch4-CZ, aumentando a eficiência para 95% quando usado em conjunto com o CI ClampZero™ e (opcionalmente) o recém-anunciado corretor de fator de potência baseado em GaN HiperPFS-5 . Os CIs do controlador flyback InnoSwitch4-CZ de alta frequência e comutação de tensão zero (ZVS) fornecem facilmente a energia necessária para a mais recente especificação USB PD 3.1 para adaptadores e carregadores de até 220 W.

A faixa de potência expandida dos CIs InnoSwitch4-CZ e ClampZero permite que os desenvolvedores de carregadores/adaptadores excedam facilmente 23 W/in3 para projetos com certificação USB PD 3.1 de saída única e múltipla. Mesmo com uma potência de saída de 220 W, a alta eficiência da família minimiza o calor. Dissipadores de calor volumosos não são necessários em nenhum dos dispositivos ativos. A frequência máxima de comutação de até 140 kHz minimiza o tamanho do transformador. O alto nível de integração reduz aproximadamente pela metade o número de componentes passivos, MOSFETs e diodos que simplificam o layout de PCB, ainda atendendo os requisitos de segurança.

Os CIs InnoSwitch4-CZ incluem uma chave primária PowiGaN robusta de 750 V, acionamento de clamp ativo e retificação síncrona em um pacote InSOP-24D compacto. A detecção do lado secundário – obtida usando a tecnologia de comunicação de alta velocidade FluxLink da Power Integrations – fornece uma precisão CV/CC excepcional. Os CIs InnoSwitch4-CZ consomem menos de 30 mW sem carga, incluindo monitoramento da tensão da linha de entrada. Os CIs apresentam um conjunto abrangente de recursos de proteção, incluindo reinício automático ou resposta de falha de travamento para sobretensão e subtensão de saída; múltiplos limites de falha de subtensão de saída; e proteção de sobretemperatura primária com trava ou histerética.

DER-957: Carregador de faixa de potência expandida USB PD 3.1 de 130 W

Um projeto de referência de adaptador USB PD super compacto de 130 W (Figura 7) está disponível para designers que desejam avaliar o chipset flyback InnoSwitch4-CZ e ClampZero e o CI PFC HiperPFS-5. Este projeto de referência suporta Extended Power Range (EPR) tem 134 peças e mede 81 mm × 61 mm × 0,76 x 19,2 mm com uma eficiência de carga total superior a 94% a 230 VAC. Os recursos de fonte USB PD são:

  • PDO1: 5 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO2: 9 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO3: 15 V / 3 A (alimentação fixa)
  • PDO4: 20 V / 5 A (alimentação fixa)
  • PDO5: 28 V / 4,65 A (alimentação fixa)
Carregadores USB-C
Figura 7: DER-957 fornece 130 W de potência usando 134 componentes.

Conclusão

Com a inovadora família InnoSwitch3-PD de CIs de chaveadores flyback integrados, os desenvolvedores têm um novo conjunto de ferramentas para desenvolvendo carregadores e adaptadores altamente eficientes e com baixo número de componentes que oferecem funcionalidade completa de USB-C PD + PPS. Esses CIs completos incluem opções de interruptores de alimentação integrados de silício ou PowiGaN. Eles são totalmente protegidos na entrada e na saída e permitem soluções com metade dos componentes necessários para projetos convencionais, enquanto ainda fornecem consumo de energia sem carga tão baixo quanto 14 mW. O pacote compacto InSOP-24D é otimizado para fabricação de alto volume de soluções de energia USB-C de alta densidade.

Para demandas de energia mais altas e níveis extraordinários de integração, levando ao máximo em miniaturização, os CIs InnoSwitch4-CZ estão agora disponíveis, garantindo que mesmo em aplicações mais extremas, possam permanecer on-line convenientemente pelo tempo que precisarem.

Para obter mais informações, visite www.power.com/innoswitch

©Power Integrations, o logotipo Power Integrations, power.com, InnoSwitch, PowiGaN, FluxLink, HiperPFS, ClampZero e InSOP são marcas comerciais ou marcas registradas da Power Integrations, Inc., nos EUA e/ou em outros países.

Este texto foi originalmente escrito por Aditya Kulkarni, Product Marketing Manager, Power Integrations.

Em caso de quaisquer dúvidas sobre as placas de avaliação ou itens da Power Integrations, você pode obter  suporte local através da BP&M.

(*) este post foi patrocinado pela Power Integrations.

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