通過將接口信號和電源組合在一根電纜中，USB有潛力滿足簡化微型電源適配器設計的需求。如今，自1996年問世以來的第四代通用串行總線（USB）已標準化了計算機連接性，取代了諸如串行端口和并行端口之類的接口，并已成為為各種便攜式設備充電的首選電纜。

USB 3.0中指定的千兆位速度使該總線成為取代與PC和筆記本電腦相關的所有類型電纜（包括顯示器，外部磁盤驅動器，打印機和掃描儀）的有力競爭者。最重要的是，通過USB供電（USB PD）規范，USB還可以消除電源線。

USB PD于2012年開發，旨在為所有USB設備創建可互操作的充電標準，目前已進行了第三次修訂。它已演變為能夠為硬盤驅動器，打印機和類似設備供電的充電應用程序，功率級別最高為100 W，電壓在5至20V之間。USB電纜可能很快將成為為筆記本電腦供電以及將各種外圍設備連接到筆記本電腦所需的唯一東西。通過突破5V時的7.5 W功率限制，USB PD還為智能手機電池的更快充電提供了可能性。

電源小型化

小型電源的設計要求工程師在樣式和效率之間找到平衡，同時確保符合多種電氣標準和安全要求。開關電源（SMPS）已成為筆記本電腦等設備的常見解決方案，因為它們的高效率顯著降低了功耗并降低了散熱，從而可以將它們封裝在較小的外殼中。

隨著SMPS設計的成熟，以不連續導通模式（DCM）工作的準諧振開關轉換器（QRC）已成為高密度AC-DC設計的首選拓撲，因為它減輕了開發挑戰并提供了更穩定的環路控制比其他選擇。準諧振開關轉換器（也稱為可變頻率或谷值開關反激）利用寄生諧振特性來控制開關MOSFET的導通電壓，從而降低了開關損耗（圖1）。

圖1準諧振開關轉換器的基本操作說明了它如何利用寄生諧振特性來控制開關MOSFET的導通電壓。資料來源：英飛凌

圖1B顯示了Vds波形中的諧振振蕩，它是由寄生電感，電容（L泄漏）和CD引起的。諧振導致Vds中的“谷”點，并且在準諧振（QR）或谷底開關反激中，電路控制器配置為在最小谷點處導通MOSFET。可以對控制器進行編程，使其在不同的谷點處開啟。它總是在第一個谷打開的地方，這被稱為自由運行的QR反激。在這種模式下，諧振頻率和開關頻率隨負載而變化，在較高負載下頻率最小。

盡管具有優勢，QRC設計仍需要進一步優化，以實現USB小型化所需的密度。盡管在低線情況下，MOSFET實際上以零電壓開關（ZVS）模式工作，但在高線情況下卻并非如此，這會導致相當大的開關損耗。可以修改基本QRC設計以幫助減少這些損失。一個緩慢的反向恢復二極管可以將一些耗散的能量推回到大容量電容器或輸出中（圖1A）。重要的是要注意，盡管這種方法減少了高線路輸入時的損耗，但會導致低線路輸入時的損耗更高。

設計上的考慮，例如使用具有更高輸出電容（COSS）的MOSFET以及低Rds（ON）器件，也可以幫助限制導通和泄漏損耗。但是，負載和開關頻率之間的關系給QRC拓撲帶來了進一步的困難，因為在峰值功率水平上變壓器的利用率欠佳。這種現象是造成觸摸屏應用中共模噪聲干擾的原因。

隨著電源適配器尺寸壓力的增加，制造商已開始通過在PCB中加入繞組來簡化生產。它要求高于100 kHz的開關頻率以最大程度地減少銅損。在這種情況下，強制頻率諧振零電壓開關（FFRZVS）設計提供了最佳解決方案。

在這些設計中，開關是在初級變壓器的零電壓點實現的。它減少了電源開關的導通損耗和散熱，并提高了效率。FFRZVS電路的高頻操作可以減小磁性元件的尺寸，從而實現高密度和緊湊的電源。

FFRZVS的工作原理

通過對基本QR設計進行較小的更改，可以顯著減少FFRZVS的導通損耗并提高效率。這些變化如圖2所示，該圖顯示了基于InfineonXDPS21071FFRZVS DCM控制器的FFRZVS參考設計。

圖2FFRZVS參考設計圍繞反激控制器IC構建。資料來源：英飛凌

附加的零電壓繞組與主繞組和輔助繞組一起被添加到電路的原邊，用于過零檢測。零電壓繞組ZWVS，以及電容器，電源開關，QZVS，低端柵極驅動器和RG1被添加到電路中，從而實現了自控ZVS周期。

圖3該圖顯示了FFRZVS設計的操作順序。資料來源：英飛凌

當初級MOSFET QM在t0截止時，在同步整流器QSR導通之前會有一個短的消隱期，導致電流流經次級繞組WS。當該勵磁電流降至零時，在t1時QSR關閉，并且初級側繞組上的諧振電路在電壓Vbulk周圍引起振蕩。在t2時刻，ZVS MOSFET導通，從而使額外的繞組ZVS發揮作用。在勵磁電流為零的主MOSFET諧振峰值處接通ZVS會導致產生負的勵磁電流。

一旦該電流在t3達到峰值，ZVS MOSFET將再次關斷，從而使勵磁電流反向。這會釋放等效電容，從而導致主MOSFET的漏極電壓在t4導通時達到最小值。在其漏極-源極電壓最低的這一點開啟，將導致導通損耗大大降低，接近真正的ZVS的損耗。

上面的描述著重指出了控制器在FFRZVS的實現中所起的重要作用，它基于對輸出電壓的測量來決定時序的精度。

用于USB PD適配器的FFRZVS

基于此工作原理的USB PD適配器的參考設計如圖4所示。所使用的固定頻率ZVS控制器是專門針對高密度電源適配器應用而設計的。它能夠以多種模式工作，包括不連續導通模式（DCM），ZVS，降頻模式（FRM）和突發模式（BM），以確保在不同的線路和負載條件下的效率。

圖4USB PD適配器的參考設計基于FFRZVS工作原理。資料來源：英飛凌

數字和模擬外設支持反激操作所需的各種信號采樣和調節技術。內置的高壓啟動單元使IC電源在空載運行期間更加高效和靈活，高壓電路提供電壓監控以及欠壓和欠壓保護。

模式切換和時序控制由具有可配置的非易失性OTP存儲器的nano-DSP處理。這種可編程功能可簡化PCB布局并減少材料清單。

圖5該參考設計實現了90％以上的效率。資料來源：英飛凌

該參考設計還以55（L）×25（W）×25（H）mm的外形尺寸實現了15 W / in3的功率密度（圖5）。已證明該適配器可承受一次側最壞的560V峰值。在發熱方面，組件溫度不超過100°C。

由于可配置的頻率抖動，在此適配器上進行的發射測試已確認其符合EN 55022（CISPR 22）B類測試標準，這有助于改善重載和最大開關頻率下的EMI信號。該適配器還完全滿足備用電源要求；45 W設計在所有AC輸入電壓下的待機功耗均不到30 mW。該設計還可以輕松擴展以支持高達65 W的功率輸出水平。

Wang Zan是Infineon Technologies的高級人事工程師。

編輯：hfy