Silanna 的降壓轉(zhuǎn)換器：電源設(shè)計(jì)

1、概述

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)參數(shù)之間的許多權(quán)衡，例如尺寸、成本、效率和負(fù)載瞬態(tài)性能。為了設(shè)計(jì)功率級，必須建立各種特性，例如瞬態(tài)容限、紋波電壓和負(fù)載特性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正專注于通過更好地控制電池特性來使用新的電路拓?fù)鋪硖岣唠娫崔D(zhuǎn)換效率，以開發(fā)具有更長運(yùn)行時(shí)間和更小的占位面積的系統(tǒng)。低效率對應(yīng)于增加的功耗，必須充分處理。較低的開關(guān)頻率會(huì)降低開關(guān)損耗，但較高的開關(guān)頻率可提供更高的性能和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。西蘭娜半導(dǎo)體推出了智能功率共享降壓轉(zhuǎn)換器電源IC。具有集成 USB-PD/FC 端口控制器的新型 SZPL3002A 降壓轉(zhuǎn)換器 IC 可顯著減少執(zhí)行 65-W 快速充電器和具有多達(dá)四個(gè)端口的適配器應(yīng)用所需的組件數(shù)量。該電源 IC 采用完全集成的 USB-PD 控制器、MCU 和 VCONN 電纜通信協(xié)議，在這款高效 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)智能電源共享。

Silanna Semiconductor 的產(chǎn)品營銷總監(jiān) Hubie Noto 在接受采訪時(shí)表示，SZPL3002A 電源 IC 通過將高效同步降壓轉(zhuǎn)換器和先進(jìn)的端口控制器集成到單個(gè) 5 × 5-mm QFN 中來滿足 98% 的效率包裹。

PD 控制器通過均衡功率從幕后智能地運(yùn)行。該器件適用于從 667 kHz 到 1 MHz 的開關(guān)頻率。

“這款設(shè)備還有另一個(gè)獨(dú)特的功能，我們稱之為省電模式，”Noto 說。“當(dāng)你沒有連接任何負(fù)載時(shí)，通常其他人只是做待機(jī)，這通常仍然會(huì)消耗電力。在我們的例子中，如果用戶最初在設(shè)計(jì)中選擇切換到省電模式，DC/DC 部分會(huì)完全關(guān)閉，但 PD 控制器仍在運(yùn)行。然后，PD 控制器繼續(xù)以低于微瓦的功耗監(jiān)控直流線路?！?

內(nèi)置端口控制器支持USB PD V3.0 Type-C接口以及QC2.0-/3.0-/4.0-/5.0-type A/C接口。該控制器促進(jìn)了兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)端口之間的電源共享和端口電源重新平衡功能，確保端口電源響應(yīng)特定設(shè)備的需求，無論何時(shí)建立連接。

2、熱保護(hù)

“許多人擔(dān)心連接過熱，”諾托說?！斑@樣做的原因是因?yàn)樗鼈冊诓迦霑r(shí)沒有得到充分評估。所有這些連接最終都會(huì)松動(dòng)。當(dāng)它們失去 VBUS 連接時(shí)，它們會(huì)間歇性地接觸，這可能會(huì)產(chǎn)生熱量，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致高電阻。整個(gè)溫度腔由我們的集成電路檢測。當(dāng)它變得太熱時(shí)，最好將其關(guān)閉或降低其功率。我們的系統(tǒng)進(jìn)入防御模式?！? 如果溫度達(dá)到可編程警告級別，SZPL3002A 會(huì)與連接的設(shè)備重新協(xié)商較低的功率級別(較低的電流)。如果溫度繼續(xù)升高超過可編程的臨界水平，則端口斷開。

新型 SZPL3002A 具有五種可配置的預(yù)加載電源合同配置，允許 OEM 在眾多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用單個(gè)設(shè)備。電源重新平衡將未充分利用的電源重新分配到先前連接的端口，而安全的電源節(jié)流功能會(huì)在滿足溫度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)切斷電流。

許多充電器制造商要求在 Type-C 輸出連接器附近進(jìn)行 NTC 測量。Type-C 連接器觸點(diǎn)會(huì)因污垢/棉絨而變得電阻，從而在連接器處產(chǎn)生高溫。這可能導(dǎo)致燒焦或系統(tǒng)范圍的充電單元關(guān)閉。一些公司有外部 NTC 輸入，但僅用于在過熱條件下執(zhí)行災(zāi)難性停機(jī)。

Silanna 的降壓轉(zhuǎn)換器：電源設(shè)計(jì)

Silanna 的 DC/DC 產(chǎn)品組合包括高壓、高效率、寬輸入集成降壓轉(zhuǎn)換器，具有可選擇的開關(guān)頻率和旨在提高 USB 端口電源應(yīng)用性能的獨(dú)特功能。極低的工作功耗可實(shí)現(xiàn)非常低的空載功耗(監(jiān)管認(rèn)證的關(guān)鍵規(guī)范)，而瞬時(shí)內(nèi)部反饋路徑可實(shí)現(xiàn)干凈且可控的啟動(dòng)操作，直到外部 USB-PD 控制器可以自行偏置并接管輸出控制電壓。

“為了共享電源，我們在這些芯片中安裝了一個(gè) MCU，”Noto 說?！斑@個(gè) MCU 用于執(zhí)行實(shí)際計(jì)算。它基于計(jì)算的情況。例如，讓我們放置兩個(gè) 60-W 端口。如果有人連接到第一個(gè)端口并為設(shè)備充電，我們的 IC 將檢測到此請求。我們會(huì)將這些信息存儲(chǔ)在 MCU 中。但是，假設(shè)有人插入第二個(gè)端口并要求另一個(gè) 60 W。IC 知道它必須處理電源并且不能將所有 60 W 提供給第二個(gè)端口。如此突然，60 W 下降了 7.5 W，然后在沒有關(guān)閉的情況下重新平衡。MCU 通過重新平衡第二個(gè)端口的功率自動(dòng)重新計(jì)算;在三個(gè)或四個(gè)端口的情況下相同。

“當(dāng)一個(gè)設(shè)備連接到一個(gè)端口——任何端口——它會(huì)設(shè)定一個(gè)合同并從剩余的電力中獲取它所需要的東西，”Noto 補(bǔ)充道。“每個(gè)端口上的 SZPL3002 智能地相互通信。如果大功率設(shè)備(例如筆記本電腦)連接“較晚”，則電源將被優(yōu)先處理，并從之前未充分利用的端口連接中“收獲”?！?

SZPL3002A 具有運(yùn)行固件代碼以及 USB 端口配置存儲(chǔ)器，需要對其進(jìn)行編程才能正常運(yùn)行。SZPL3002A 的三種連接方法可用于編程： 將 Type-C USB 端口連接器連接到應(yīng)用 PCB 上的目標(biāo) PortIC;連接到可選的零插入力插座 PCB 以編程松散的 PortIC 設(shè)備(例如，SZ-PROGSOCK-3002-00);通過 I 2 C 線將目標(biāo) PCB 上的標(biāo)頭連接到 PortIC。

3、評估板

SZPL3002AA-EVB01 評估板是 SZPL3002A 器件中多端口共享電源操作的設(shè)計(jì)樣本。該平臺(tái)具有三個(gè) SZPL3002A IC，用于三個(gè)端口和兩個(gè) 2C1A USB 應(yīng)用。SZPL3002A 可以提供固定輸出電壓和可編程電源配置文件，以便為鏈接設(shè)備快速充電。該設(shè)備還支持 Qualcomm QuickCharge 協(xié)議 QC2.0/3.0/4.0/4.0+，因此可以同時(shí)處理 Type-A 和 Type-C 輸出端口。

包括一個(gè) I 2 C 總線，支持 SZPL3002A 器件之間的 IC 間通信，以實(shí)現(xiàn)共享電源、眾多輸出和充電端口等高級應(yīng)用。該總線還使在設(shè)備中對 OTP 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程變得更加容易。兩個(gè) 65-W Type-C PD 端口和一個(gè) 18-W QuickCharge Type-A 端口的合同設(shè)置已在設(shè)備內(nèi)預(yù)編程。

V IN和 V OUT可以使用 Kelvin 連接進(jìn)行監(jiān)控。每個(gè)端口都有一個(gè) 2 × 2 插頭引腳來檢測輸入電流，從而可以對效率以及線路和負(fù)載控制進(jìn)行可靠的性能評估。用戶手冊中進(jìn)一步討論了輸出電壓、軟啟動(dòng)、工作頻率和功率合同的變化。

4、CO2電源管理挑戰(zhàn)

在電力轉(zhuǎn)換效率方面，電力行業(yè)技術(shù)效率的提高在降低 CO 2排放方面發(fā)揮了重要作用，其次是可再生能源產(chǎn)生的能源百分比和使用碳含量較低的化石燃料。電力生產(chǎn)和消費(fèi)的排放對于規(guī)劃和監(jiān)測涉及電氣行業(yè)的溫室氣體減排活動(dòng)至關(guān)重要。

最近計(jì)算出，空載功耗約占手機(jī)用電量的三分之二。正如 Silanna 指出的那樣，減少功率損耗對于優(yōu)化能源浪費(fèi)至關(guān)重要。充電器和適配器連接到電源插座但不連接到相關(guān)設(shè)備所消耗的能量稱為空載功率。

目標(biāo)是創(chuàng)建在零負(fù)載下使用最少功率的設(shè)備，以最大限度地提高能源效率。Silanna 的 CO 2 Smart Power 理念突出了公司堅(jiān)持不懈地努力開發(fā)更高效的產(chǎn)品的態(tài)度，這些產(chǎn)品通過使用更少的能源和更好的性能來促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。在大多數(shù)情況下，這會(huì)立即轉(zhuǎn)化為消耗更少電力的改進(jìn)產(chǎn)品和系統(tǒng)，從而減少對破壞性 CO 2排放的貢獻(xiàn)。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器是復(fù)雜的系統(tǒng)。即使通過高度集成的 IC 進(jìn)行簡化，它們?nèi)匀恍枰獜?fù)雜的組件計(jì)算和加權(quán) IC 控制器選擇。此外，它們易受電路板布局和寄生組件(即，不理想的組件特性，例如電容器中的電阻或 MOSFET 開關(guān)中的電容)的影響。

通過 USB 連接，設(shè)備可以作為電源或用戶進(jìn)行操作。USB Power Delivery 提供更快的外圍設(shè)備充電，并允許智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等設(shè)備通過 USB 連接供電，無需電源適配器。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器可以通過 USB-C 連接器為筆記本電腦供電，充當(dāng)外部硬盤驅(qū)動(dòng)器等外圍設(shè)備的集線器，并接收和顯示來自筆記本電腦的視頻數(shù)據(jù)。除了有效的電源開關(guān)解決方案的設(shè)備外，電源線還需要保護(hù)。