PI推出第五代InnoSwitch开关IC，更高集成度更简化的设计

电子工程世界 2024-02-02 09:02

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日前，PI宣布推出第五代InnoSwitch系列，名为InnoSwitch 5-Pro的高效率、可数字控制的反激式开关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。

日前，PI资深技术培训经理阎金光详细解读了该产品的优势。

快充市场卷出新高度

阎金光用“风暴仍在继续”来形容目前的快充市场。近几年，得益于手机行业的持续发展，快充头的发货量持续增长，再加上笔记本和其他家电行业对于USB PD的导入，市场预计USB PD控制器发货量将从2022年的不到20亿只成长到2028年的46亿只以上，在这种高速增长下市场前景一片光明。

但是，快速发展的行业必然会带来更多苛刻的技术挑战，阎金光列出了主要的三大趋势，包括不断增大的输出功率，不断缩小的体积以及更低的系统成本。这三个挑战其实是互相矛盾的，但对最卷的IC行业而言，必须持续创新，以满足客户的最新要求。

另外，标准及协议的多样化，也给芯片带来了挑战，比如欧盟和北美采用的USB PD和PPS 3.1，中国特有的UFCS以及手机OEM们的私有协议，比如VOOC、VFC、SCP、UFCS等等。这就要求芯片及方案尽可能满足所有协议，以方便设计及供应链管理。

“三全其美”的InnoSwitch 5-Pro

InnoSwitch 5-Pro通过高集成度，高效率以及可编程性，同时满足了在灵活性、高功率密度以及低成本等方面的挑战。

阎金光表示，InnoSwitch 5-Pro转换效率可达95%，最主要原因是采用了氮化镓（GaN）的功率开关。值得注意的是，此次InnoSwitch 5-Pro可选750V和900V两种耐压规格的GaN，因此可以适应印度等电网不稳定的场景中。另外则是使用了零电压开关（ZVS）技术，以及变频的开关电路，实现了高转换效率并降低了温升，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。

PI专利的变频开关技术，与传统PWM不同，可以实现更快的响应速度，提升动态性能，可以使用较小的输出电容，从而节省成本并降低电源尺寸。

InnoSwitch 5-Pro支持I2C可编程，因此适合不同国家或地区的标准，且适用于任何MCU，并且故障响应也可编程，以便及时做出快速反应。

第三，则是InnoSwitch 5-Pro具有高集成度，功率开关及其驱动器，初级测控制器及驱动器，同步整流驱动，FluxLink（磁感耦合）通讯以及全面的保护和遥测报告功能。

整体而言，InnoSwitch 5-Pro延续了PI经典的InnoSwitch Pro系列产品，包括FluxLink，次级侧控制，遥测报告，I2C编程等功能都有。

该系列可支持不同功率，从而适合多种场合应用，包括各类快充，插座，笔记本电脑等。

创新突破的ZVS技术

正如PI高级产品营销经理Adnaan Lokhandwala所说：

ZVS与GaN（氮化镓）相结合，能为电源注入神奇魔力。开关损耗几乎为零，并且我们可以利用GaN的低导通损耗来实现超紧密的适配器布局，其元件数量远少于非对称半桥(AHB)电路或有源钳位方案。

其中非对称半桥类似于LLC谐振变换器，但是AHB要加PFC，因此考虑两级电路模式转换都会有损耗，因此整体效率也并不高。

而对于有源钳位，同样可以实现ZVS，在InnoSwitch 4-Pro设计中，可以结合ClampZero有源钳位 IC实现ZVS。

显然，这两种方法都会增加的元器件数量以及额外的功率开关。

但InnoSwitch 5-Pro创新的拓扑技术，可以通过 SR 控制实现零电压开关，阎金光解释了大致原理，其本质是利用次级侧的同步整流功率管来泄放能量。

如图所示，第一步是在下一次功率管开通前，次级侧的整流管SR FET先开启，能量从次级侧传输到变压器；第二步是关闭整流管，因为初级侧电感的续流，可以将功率管的DS之间的电荷泄放，从而使Vds为零；第三步则是正常开启功率管，从而实现了零电压开启的目的。

阎金光表示，该控制方式非常智能，无需传统ACF电路，可以实现最高的效率，降低成本同时还可以减少设计复杂度。实测表明，即便是与准谐振控制模式相比，也有1%左右的提升。

另外，该产品具有次级侧的无损电压感应，可以用于自适应的DCM/CCM/ZVS控制，这也是市场上唯一的产品。

支持丰富的协议

正如前面所说，InnoSwitch 5-Pro的可编程特性，可以支持多种协议。

如图所示，无论是USB PD还是UFCS，PI的产品均可支持。

阎金光特别强调了几点，首先是例如在UFCS中，电压的调整步长是10mV，这就需要电源管理IC的精准度足够高。另外，在USB PD 3.1扩展功率范围以及未来的UFCS上，电压要提高至15V-48V，因此InnoSwitch 5-Pro的电压输出范围达到3 V至30 V的宽压，上一代InnoSwitch 4-Pro产品的最高电压为24V。同时，阎金光也表示，之所以是28V输出，主要原因是目前市场上的大部分应用都是≤30V。

另外，由于其支持可编程，因此可以实现输出公差补偿，在产品下线后，即便有公差及温度系数等变化，同样可以通过再编程校准，实现优于2%的高精度输出恒流(CC)控制，以支持UFCS协议。

写在最后

作为快充及氮化镓市场的引领着，PI近年来始终专注于这一市场，不断致力于提升产品的功率和效率，及减少尺寸和成本。如今，市场上已经有了越来越多的对手，但PI也没有原地踏步，而是不断创新，用技术引领市场的发展。

以InnoSwitch 5-Pro为例，通过在集成、控制、拓扑等方面的创新，使客户可以更快开发出简单高效、更高功率、更低成本、更小尺寸的适配器。

“创新技术会让客户看到我们的价值。”阎金光总结道。

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