作者：安森美半导体战略营销总监 Yong Ang

通用串行总线(USB)规格的最新迭代版本 USB 3.1第2代有望改变 IT、消费、工业及通用嵌入式电子设备交换数据和供电的方式。再加之 Type-C 连接器，它就能够替代许多其它形式的有线连接，而且它已经在便携式消费设备领域呈现迅速增长之趋。

这可能与该规格的供电（PD）方面最为相关。随着 Type-C 连接器用于更多设备，用户对供电潜能的意识也将会增加。

短期内，预计 USB-PD 将在离线电源适配器中得以实施，且最有可能用于高端笔记本电脑，这也符合提供更高电源转换能效的趋势。预计至2020年，约半数笔记本电脑适配器都将采用 USB-PD。制造商还希望能够优化电器的电源适配器，这可能意味着输出功率在27至100W 之间，这也会影响设计。因此如果制造商要生产各种不同输出功率水平的适配器，能够提供设计灵活性的单一方案将成为首选。

电源转换的挑战

从交流（AC）转到直流（DC）涉及到转换，且不可避免地会造成相关损耗，半导体行业一直在努力减少这样的损耗。当前存在许多电源转换拓扑结构，一般而言，当将成本视为主要问题且能效并不太重要时，可采用初级端稳压（PSR）反激拓扑结构，特别是当输出功率要求相对较低且无需严格的输出电压稳压时。当需要更高输出功率时，为获得更高的能效和更佳的性能，通常首选次级端稳压（SSR）准谐振（QR）反激拓扑结构。

在主电源变压器之后进行的此形式的输出整流，一直用二极管作为开关（图1），然而这也有能效问题，主要是由于在二极管的 PN 结上经历了正向压降。这通常约为0.7 V，尽管通常采用肖特基二极管可将压降降至更接近0.3 V，但这仍是损耗。

图1：次级端采用二极管整流的经典反激式固定输出电压电源转换方案

现代高功率密度 USB-PD 适配器如今通过采用低导通电阻MOSFET来避免二极管相关损耗（图2）。

图2：基于使用 MOSFET 作为输出开关的次级端同步整流的 USB-PD 电源适配器

虽然这提供了能效增益，但复杂性也随之而来。使用晶体管而非二极管的做法称为次级端同步整流，为了从这种拓扑结构中获益，设计人员需要添加一个控制器，在正确的时间导通和关断晶体管。更为复杂的是，各种SR控制器都可用，可基于应用程序提供不同的特性与优势。

用于 USB-PD 的 SR 控制器

相较于采用肖特基二极管，使用一个低 RDS（on）（约5至10mΩ）MOSFET 也能显着提高次级端输出整流的能效，从而有望实现高于93％的峰值能效。

MOSFET 的开关时序现已成为关键参数，导通和关断延迟会直接影响整体能效。由于控制器决定了 MOSFET 的状态，因此在选择合适的控制器时，由控制器引起的切换延迟时间就成为了需要考量的关键参数。

在 USB-PD 应用中，反激式电源通常设计为以连续导通模式（CCM）或准谐振（QR）模式工作。在 CCM 中，SR 控制器需要非常快速地关断 MOSFET，以避免在初级端造成任何击穿，有效地在初级端和次级端之间建立直接通路，这会导致功率 MOSFET 可能出现非常高的瞬时电流。图3显示了典型的电路配置，其中 M1位于初级端，M2（同步整流 MOSFET）位于次级端。

图3：开关模式电源示例，显示了初级和次级端晶体管