小巧的100 W USB PD快充和适配器方案提供超92%的高能效和高可靠性

安森美(onsemi)最近推出一款100 W USB PD参考设计，此设计支持PD 3.0、PPS，最大输出功率100 W，在115 VAC和230 VAC的平均能效达到92%，满载能效超过92%，外形小巧仅65 mm x 65 mm x 28 mm，适用于手机快充、笔记本电脑等应用。

图1：100 W Type-C PD适配器方案外形

该方案采用NCP1623A 功率因数校正(PFC)控制器、NCP1343多模式高频准谐振(QR)反激式PWM控制器、NCP4307同步整流控制器、结合FUSB15101支持可编程电源(PPS)的USB Type-C PD 3.1电源控制器，交流输入电压范围90 V到264 V，输出电压范围3.3 V到21 V。

其中，NCP1623A基于创新的谷底同步频率反走(VSFF)，重载条件下工作在临界导通模式(CrM)，轻载时进入非连续导通模式(DCM)，确保在各种负载下都提供极高能效。NCP1623A提供两级输出电压：当输入低于146 VAC时输出250 V，输入高于163 VAC时输出390 V，其跟随器升压能力还大大提高低压时的能效， 相比较传统固定输出，在低压可提高PFC效率1.5~2%。

NCP1343集成功率扩展模式(PEM)，在低压输入、20 V输出时，0到满载负载突变情况下，在PFC没启动之前可进入CCM模式来减小初级峰值电流，最小化变压器尺寸和PFC输出电容, 相比较传统的QR控制器，在满载时可降低25%的初级峰值电流。跳周期模式(quiet-skip)最小化可闻噪声。

NCP4307的自供电能力和双Vcc引脚配置选项，使得在低输出时省去外部Vcc电路，也可配置为高边或低边工作。

图2：电路原理图(PFC部分)

图3：电路原理图(PWM和协议部分)

提高工作频率可缩小电源尺寸，该设计在264 VAC、满载的情况下，频率达190 KHz，还可驱动氮化镓(GaN)以进一步提高开关频率，降低损耗。

除了高能效和小外形的优势，该100 W USB PD参考设计还集成丰富的保护功能，包括过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、开环保护等，提供高可靠性。

能效测试

我们测试了该100 W USB PD适配器参考设计在115 VAC(蓝色曲线)和230 VAC(红色曲线)输入电压的平均能效和轻载(10%负载)能效，从下面曲线图可看到都远高于COC V5 Tier 2平均能效标准和COC V5 Tier 2轻载能效标准(紫色曲线)，整个负载范围内的待机功耗低于70 mW。

图4：平均能效和10%负载能效远超COC V5 Tier标准

性能测试

经测试，该100 W USB PD适配器参考设计在各种负载条件下的纹波和噪声都低于60 mV，动态性能稳定，EMI和热性能优良。

图5：100 W USB PD适配器参考设计在90 VAC时的纹波


图6：100 W USB PD适配器参考设计热成像

总结

该100 W USB PD参考设计能效远超COC V5 Tier 2标准，并具有高功率密度和高可靠性，显著的优势包括：采用2级PFC输出，提升低压时的能效；当PFC开始工作在一定功率时，功率扩展模式(PEM)控制器支持向更大的功率转换；相较于QR控制器，只需要68 uF PFC输出电容，从而最小化电容器尺寸并降低成本。