日前，PI宣布推出第五代InnoSwitch系列，名為InnoSwitch 5-Pro的高效率、可數(shù)字控制的反激式開關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即可實現(xiàn)零電壓開關(ZVS)，效率超過95%。
這款新IC內(nèi)部集成750V或900V PowiGaN初級開關、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適配器的設計和制造。其應用領域包括筆記本電腦、高端手機和其他便攜式消費電子產(chǎn)品，包括要求支持新的USB PD EPR（擴展功率范圍）協(xié)議的設計。
快充市場卷出新高度
閻金光用“風暴仍在繼續(xù)”來形容目前的快充市場。近幾年，得益于手機行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，快充頭的發(fā)貨量持續(xù)增長，再加上筆記本和其他家電行業(yè)對于USB PD的導入，市場預計USB PD控制器發(fā)貨量將從2022年的不到20億只成長到2028年的46億只以上，在這種高速增長下市場前景一片光明。
但是，快速發(fā)展的行業(yè)必然會帶來更多苛刻的技術挑戰(zhàn)，閻金光列出了主要的三大趨勢，包括不斷增大的輸出功率，不斷縮小的體積以及更低的系統(tǒng)成本。這三個挑戰(zhàn)其實是互相矛盾的，但對最卷的IC行業(yè)而言，必須持續(xù)創(chuàng)新，以滿足客戶的最新要求。
另外，標準及協(xié)議的多樣化，也給芯片帶來了挑戰(zhàn)，比如歐盟和北美采用的USB PD和PPS 3.1，中國特有的UFCS以及手機OEM們的私有協(xié)議，比如VOOC、VFC、SCP、UFCS等等。這就要求芯片及方案盡可能滿足所有協(xié)議，以方便設計及供應鏈管理。
“三全其美”的InnoSwitch 5-Pro
InnoSwitch 5-Pro通過高集成度，高效率以及可編程性，同時滿足了在靈活性、高功率密度以及低成本等方面的挑戰(zhàn)。
閻金光表示，InnoSwitch 5-Pro轉(zhuǎn)換效率可達95%，最主要原因是采用了氮化鎵（GaN）的功率開關。值得注意的是，此次InnoSwitch 5-Pro可選750V和900V兩種耐壓規(guī)格的GaN，因此可以適應印度等電網(wǎng)不穩(wěn)定的場景中。另外則是使用了零電壓開關（ZVS）技術，以及變頻的開關電路，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率并降低了溫升，使設計人員能夠省去熱管理所需的散熱片、導熱片和灌封材料，從而進一步減小尺寸，降低元件成本和制造復雜性。
PI專利的變頻開關技術，與傳統(tǒng)PWM不同，可以實現(xiàn)更快的響應速度，提升動態(tài)性能，可以使用較小的輸出電容，從而節(jié)省成本并降低電源尺寸。
InnoSwitch 5-Pro支持I2C可編程，因此適合不同國家或地區(qū)的標準，且適用于任何MCU，并且故障響應也可編程，以便及時做出快速反應。
第三，則是InnoSwitch 5-Pro具有高集成度，功率開關及其驅(qū)動器，初級測控制器及驅(qū)動器，同步整流驅(qū)動，F(xiàn)luxLink（磁感耦合）通訊以及全面的保護和遙測報告功能。
整體而言，InnoSwitch 5-Pro延續(xù)了PI經(jīng)典的InnoSwitch Pro系列產(chǎn)品，包括FluxLink，次級側(cè)控制，遙測報告，I2C編程等功能都有。
該系列可支持不同功率，從而適合多種場合應用，包括各類快充，插座，筆記本電腦等。
創(chuàng)新突破的ZVS技術
正如PI高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Adnaan Lokhandwala所說：“ZVS與GaN（氮化鎵）相結(jié)合，能為電源注入神奇魔力。開關損耗幾乎為零，并且我們可以利用GaN的低導通損耗來實現(xiàn)超緊密的適配器布局，其元件數(shù)量遠少于非對稱半橋(AHB)電路或有源鉗位方案。”
其中非對稱半橋類似于LLC諧振變換器，但是AHB要加PFC，因此考慮兩級電路模式轉(zhuǎn)換都會有損耗，因此整體效率也并不高。
而對于有源鉗位，同樣可以實現(xiàn)ZVS，在InnoSwitch 4-Pro設計中，可以結(jié)合ClampZero有源鉗位 IC實現(xiàn)ZVS。
顯然，這兩種方法都會增加的元器件數(shù)量以及額外的功率開關。
但InnoSwitch 5-Pro創(chuàng)新的拓撲技術，可以通過 SR 控制實現(xiàn)零電壓開關，閻金光解釋了大致原理，其本質(zhì)是利用次級側(cè)的同步整流功率管來泄放能量。
如圖所示，第一步是在下一次功率管開通前，次級側(cè)的整流管SR FET先開啟，能量從次級側(cè)傳輸?shù)阶儔浩?；第二步是關閉整流管，因為初級側(cè)電感的續(xù)流，可以將功率管的DS之間的電荷泄放，從而使Vds為零；第三步則是正常開啟功率管，從而實現(xiàn)了零電壓開啟的目的。
閻金光表示，該控制方式非常智能，無需傳統(tǒng)ACF電路，可以實現(xiàn)最高的效率，降低成本同時還可以減少設計復雜度。實測表明，即便是與準諧振控制模式相比，也有1%左右的提升。
另外，該產(chǎn)品具有次級側(cè)的無損電壓感應，可以用于自適應的DCM/CCM/ZVS控制，這也是市場上唯一的產(chǎn)品。
支持豐富的協(xié)議
正如前面所說，InnoSwitch 5-Pro的可編程特性，可以支持多種協(xié)議。
如圖所示，無論是USB PD還是UFCS，PI的產(chǎn)品均可支持。
閻金光特別強調(diào)了幾點，首先是例如在UFCS中，電壓的調(diào)整步長是10mV，這就需要電源管理IC的精準度足夠高。另外，在USB PD 3.1擴展功率范圍以及未來的UFCS上，電壓要提高至15V-48V，因此InnoSwitch 5-Pro的電壓輸出范圍達到3 V至30 V的寬壓，上一代InnoSwitch 4-Pro產(chǎn)品的最高電壓為24V。同時，閻金光也表示，之所以是28V輸出，主要原因是目前市場上的大部分應用都是≤30V。
另外，由于其支持可編程，因此可以實現(xiàn)輸出公差補償，在產(chǎn)品下線后，即便有公差及溫度系數(shù)等變化，同樣可以通過再編程校準，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。
寫在最后
作為快充及氮化鎵市場的引領著，PI近年來始終專注于這一市場，不斷致力于提升產(chǎn)品的功率和效率，及減少尺寸和成本。如今，市場上已經(jīng)有了越來越多的對手，但PI也沒有原地踏步，而是不斷創(chuàng)新，用技術引領市場的發(fā)展。
以InnoSwitch 5-Pro為例，通過在集成、控制、拓撲等方面的創(chuàng)新，使客戶可以更快開發(fā)出簡單高效、更高功率、更低成本、更小尺寸的適配器。
“創(chuàng)新技術會讓客戶看到我們的價值。”閻金光總結(jié)道。
