通用串行總線(USB)規(guī)格的最新迭代版本USB 3.1第2代有望改變IT、消費、工業(yè)及通用嵌入式電子設備交換數據和供電的方式。再加之Type-C連接器，它就能夠替代許多其它形式的有線連接，而且它已經在便攜式消費設備領域呈現迅速增長之趨。

這可能與該規(guī)格的供電(PD)方面最為相關。隨著Type-C連接器用于更多設備，用戶對供電潛能的意識也將會增加。

短期內，預計USB-PD將在離線電源適配器中得以實施，且最有可能用于高端筆記本電腦，這也符合提供更高電源轉換能效的趨勢。預計至2020年，約半數筆記本電腦適配器都將采用USB-PD。制造商還希望能夠優(yōu)化電器的電源適配器，這可能意味著輸出功率在27至100W之間，這也會影響設計。因此如果制造商要生產各種不同輸出功率水平的適配器，能夠提供設計靈活性的單一方案將成為首選。

電源轉換的挑戰(zhàn)

從交流(AC)轉到直流(DC)涉及到轉換，且不可避免地會造成相關損耗，半導體行業(yè)一直在努力減少這樣的損耗。當前存在許多電源轉換拓撲結構，一般而言，當將成本視為主要問題且能效并不太重要時，可采用初級端穩(wěn)壓(PSR)反激拓撲結構，特別是當輸出功率要求相對較低且無需嚴格的輸出電壓穩(wěn)壓時。當需要更高輸出功率時，為獲得更高的能效和更佳的性能，通常首選次級端穩(wěn)壓(SSR)準諧振(QR)反激拓撲結構。

在主電源變壓器之后進行的此形式的輸出整流，一直用二極管作為開關(圖1)，然而這也有能效問題，主要是由于在二極管的PN結上經歷了正向壓降。這通常約為0.7 V，盡管通常采用肖特基二極管可將壓降降至更接近0.3 V，但這仍是損耗。

圖1：次級端采用二極管整流的經典反激式固定輸出電壓電源轉換方案

現代高功率密度USB-PD適配器如今通過采用低導通電阻MOSFET來避免二極管相關損耗(圖2)。

圖2：基于使用MOSFET作為輸出開關的次級端同步整流的USB-PD電源適配器

雖然這提供了能效增益，但復雜性也隨之而來。使用晶體管而非二極管的做法稱為次級端同步整流，為了從這種拓撲結構中獲益，設計人員需要添加一個控制器，在正確的時間導通和關斷晶體管。更為復雜的是，各種SR控制器都可用，可基于應用程序提供不同的特性與優(yōu)勢。

用于USB-PD的SR控制器

相較于采用肖特基二極管，使用一個低RDS(on)(約5至10mΩ)MOSFET也能顯著提高次級端輸出整流的能效，從而有望實現高于93%的峰值能效。

MOSFET的開關時序現已成為關鍵參數，導通和關斷延遲會直接影響整體能效。由于控制器決定了MOSFET的狀態(tài)，因此在選擇合適的控制器時，由控制器引起的切換延遲時間就成為了需要考量的關鍵參數。

在USB-PD應用中，反激式電源通常設計為以連續(xù)導通模式(CCM)或準諧振(QR)模式工作。在CCM中，SR控制器需要非常快速地關斷MOSFET，以避免在初級端造成任何擊穿，有效地在初級端和次級端之間建立直接通路，這會導致功率MOSFET可能出現非常高的瞬時電流。圖3顯示了典型的電路配置，其中M1位于初級端，M2(同步整流MOSFET)位于次級端。

圖3：開關模式電源示例，顯示了初級和次級端晶體管

在此配置中，必須在M1導通之前快速關斷M2。為滿足100W的USB-PD規(guī)格，所選的同步整流MOSFET需要具有足夠低的導通狀態(tài)電阻，以應對所需輸出電壓需要的電流水平，還要做到最低程度的熱損耗，以避免內部適配器溫度升至過高水平，這反過來又受到控制器降低電流以確保MOSFET能夠在最短時間內關斷能力的影響。

要確定何時關斷MOSFET，涉及到測量器件漏極至源極端的電壓。如果控制器實施直接感測(Direct Sensing)，則可以通過很少的附加元件來實現;如果控制器沒有實施直接感測，則需要額外的外部元件，這不僅增加了總成本，而且本身會引發(fā)額外的延遲，從而降低整體能效。直接感測可避免這種潛在的低能效，且在導通和關斷期間都可用。典型情況下，控制器的直接感測引腳需要承受120 V或更高的電壓以用于USB-PD應用，為瞬態(tài)和異常情況下的瞬時電壓尖峰提供足夠的余量。