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快充市场持续增长下，挑战不断
在手机充电器市场稳步向前，笔记本适配器市场持续增长，以及家电和智能家具等新兴市场不断突破的背景下，快充功率变换市场迎来规模性成长机遇。
也许在大家的印象中，电源就是一个硬件产品，但如今随着负载的不断丰富，电源智能化正在成为一种主流趋势，可编程电源市场反响很好。
根据Power Integrations分享的数据，2023年全球USB PD控制器IC的发货量约为24亿颗，到2024年这一数量将增长至30亿颗左右。
图 | 全球每年USB PD控制器IC的发货量，图源：Power Integrations
与此同时，市场的增长和变化也给设计者带来了诸多挑战，并且这些挑战是相互矛盾的，包括要求输出功率不断增大，从原来的30W、50W、100W，到现在的240W，而这与体积更小、成本更低的要求本质上是矛盾的。
此外，快充协议标准呈现出日益多样化的特性，当前全世界范围内使用最多的是欧盟和北美推行的USB PD和 PPS 3.1，最高功率已经要求达到240W/48V，但市场上还没有太多48V的用电设备，最多的还是28V的产品。
立足中国市场，由于很难找到一套方案能满足所有的应用需求，所以我们看到早期各个大厂都在推出自己的快充协议，包括OPPO的VOOC协议、vivo的VFC协议、华为的SCP协议。为了改变各种充电协议互不兼容的局面，中国信通院就与终端快充行业协会联合，推出了UFCS融合快充协议，并在迅速被行业采纳。
离线反激式开关IC为电源注入神奇魔力
为了进一步提高效率，满足系统设计者对电源灵活性的要求，Power Integrations近日推出了InnoSwitch™5-Pro系列高效率、可数字控制的反激式开关IC。
图 | InnoSwitch™5-Pro，图源：Power Integrations
这款单芯片开关IC采用创新的次级侧控制方式，无需额外使用高成本的专用高压开关即可实现零电压开关(ZVS)，效率超过95%。这款新IC内部集成750V或900V PowiGaN™初级开关、初级侧控制器、FluxLink™隔离反馈功能和具有I2C接口的次级控制器，可优化紧凑型、高效率单口或多口USB PD适配器的设计和制造。其应用领域包括笔记本电脑、高端手机和其他便携式消费电子产品，包括要求支持新的USB PD EPR（扩展功率范围）协议的设计。
图 | InnoSwitch™5-Pro方案架构，图源：Power Integrations
对此，PI资深技术培训经理Jason Yan表示：“InnoSwitch5-Pro能实现95%的效率，主要是采用了GaN的功率开关，以及零电压开关（ZVS），大大降低了功率开关管的开关损耗。”
事实上，开关损耗的降低不仅可以有效提升效率，还有助于降低IC的温升，使设计人员能够省去热管理所需的散热片、导热片和灌封材料，从而进一步减小尺寸，降低元件成本和制造复杂性。
根据Jason Yan的介绍，GaN方案下，系统设计中所需的元件数量远少于非对称半桥(AHB)电路或有源钳位方案。例如，Power Integrations曾展示过一款140W/28V的USB PD适配器，就是采用了GaN方案，它仅使用了106个元件，体积只有4.2立方英寸（约68.8立方厘米）。
图 | InnoSwitch™5-Pro 140W参考设计（USB PD），图源：Power Integrations
同时，InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓扑相对于AHB从电路上更加容易实现，并且在通用输入电压下无论是否使用PFC级均可正常工作。
对此，Jason Yan解释道：“AHB电路的设计需要有一定的设计能力，因为现在很多USB PD的输出都是可变电压和可变电流的，对所有组合的输出电压、电流进行优化，实现最高效率，对设计者来讲很有挑战。而InnoSwitch5-Pro反激式开关IC的次级侧具有无损耗输入电压检测功能，可进行自适应的DCM/CCM和ZVS控制，从而在整个输入电压和负载范围内提高效率并简化设计。”
图 | ZVS控制与QR方案相比，效率表现更好，图源：Power Integrations
值得一提的是，InnoSwitch5-Pro还具有产品下线后输出公差的补偿功能，可实现优于2%的高精度输出恒流(CC)控制，以支持UFCS协议。
根据以上特性，InnoSwitch5-Pro系列反激式开关IC的主要市场包括有高功率密度要求且需满足USB PD 3.1扩展功率范围(EPR)、UFCS和其它多种充电协议的适配器、笔记本电脑适配器以及非原装单口和多口输出的充电器和适配器。
图 | InnoSwitch™5-Pro型号，图源：Power Integrations
据悉，InnoSwitch5-Pro器件已开始出货，售价方面，基于10,000片的订货量单价为每片2.40美元。
