PI推出高度集成的USB PD单芯片解决方案
（文/程文智）近期pi推出了一款内置了usb pd控制器的innoswitch3-pd系列反激式开关ic，新的ic采用了超薄的insop-24d封装，内部集成了usb-c和pd控制器、高压powigan开关、多模式准谐振反激式控制器、次级侧检测电路、fluxlink隔离式数字反馈电路和同步整流驱动器等功能电路。
据pi资深技术培训经理jason yan介绍，innoswitch3-pd是一个简化bom的pd应用方案，只需要单颗ic加一些外围器件就能构建一个pd快充解决方案，该ic可以直接连接到type-c接口，并与外接设备进行通信，也就是说新的innoswitch3-pd讲微控制器集成到了ic内部。
高度集成的usb pd单芯片解决方案
根据pi公布的innoswitch3-pd快充方案原理图，其bom确实比较简单，原因是innoswitch3-pd本身的集成度变高了，该芯片同时兼顾了功率器件和数字器件，内部集成了高压mos管、还有两个电源控制器、微控制器等。
在初级侧，innoswitch3-pd集成了高压mos开关，且对于功率比较大的应用场景，高压mos开关换成了gan开关。支持多模式qr和ccm工作方式。
jason谈到多模式工作方式时特别之处，反激式电源应用中还需要进行一些优化，比如说当电源工作在ccm模式下时，在初级侧有个功率开关，次级侧有一个同步整流开关，这两个开关是不能同时开通的，如果同时开通了，电源就有可能会炸掉。
“我们用一个控制器同时控制两个功率开关，这样可以保证它们的时序不会出现两个开关同时开通的情况。这样就可以保证电源的可靠性。”jason对媒体表示。
图：单芯片pd快充解决方案原理图（来源：pi）
在次级侧，innoswitch3-pd可以直接驱动同步整流开关，这样做效率更高，也更加安全可靠。
在pd应用中，输出负载一般会有一个功率开关，只有当type-c接口有设备接入的时候，比如接上了手机，这个开关就会开通。而一旦检测到是空载的情况时，开关就会关闭，输出端将不会有电压出现。innoswitch3-pd内部集成了一个n通道负载开关驱动。同时，该芯片还提供了放电路径，一旦负载拔掉后，电容上的电量就可以通过该内部放电电路泄放掉，以保证输出端始终是安全电压。
innoswitch3-pd在次级侧还集成了usb type-c和pd控制器。控制器的主要工作是：
一是负载类型的检测，判断负载是有源负载还是无源负载。
二是做e-marker电缆检测，因为type-c电缆有不同的输出规格，支持5a及以上电流的电缆内部需要放置一颗ic，目的是让连接端的设备对电缆进行识别，如果电缆中有ic存在，就表明可以送出5a的电流。同时pd控制器也需要对电缆做出判别，判断目前的电缆是只允许3a的电流输出，还是可以做到5a。一般来说100w的pd快充就要做到20v/5a，此时电缆就一定要有e-marker芯片在内。
此外，pd控制器还有一个作用，那就是对vbus/vconn开关进行控制。因为如果电缆中有e-marker芯片的话，就需要对其进行供电，vconn就是这样的一个供电端。jason yan特别指出，这里仅为一个供电电源，支持pps，即可编程电源，可对电压和电流进行精确的设定。
在cc1和cc2引脚上可进行代码传输，额定电压最大可达28v。其实，在pd应用中，目前最高的电压是20v，因此该电压是安全的，如果有更高的电压进来的话，它会提供ovp保护，内部集成了vconn供电。
jason还特别提到一个有意思的点，那就是innoswitch3-pd内部有一个温度检测输入，可以检测电源系统中每个地方的温度，因为这个检测元件是可以根据需要放置在任何地方的，如果放到整流管上，就能测量整流管的温度，如果放在type-c连接器上，就能检测连接器的温度。
对于pd的输出电压和电流，则可以根据cc1或者cc2的指令来设定。jason表示，输出电压经过vout检测之后，进行闭环控制，可以做到非常精确，比如说你需要5.32v的电压，pd电源就可以精确地调整到5.32v输出。具体来说，在电压方面，可做到3~24v之间可调，档位压差是10mv；恒流控制方面，电流可以在最大输出值的20%~100%之间进行调整，电流的档位是最大输出值的0.8%。
jason解释说，电流和电压都可以精确控制其实是有一个非常大好处的。他举例说，手机在充电的时候，手机会发烫，原因一是电池在发热，二是手机内部有一个电源管理ic，该ic其实是一个dcdc降压电路，它的作用是将充电器输入进来的电压降至电池所需要的电压，而这个降压过程其实是有损耗的，这个损耗就会以热量的形式散发出来。
而如果输入电压和电流可以精确控制了的话，那么，手机中的这颗电源管理ic就可以省掉了。当然，jason也承认，目前并没有手机厂商将这颗电源管理ic去掉，因为它们需要兼容不同的充电器，单不排除以后都是pd充电器时，会省掉该芯片。
相比其他解决方案所需总元件数更少
由于集成度提高了，总体方案所需要的元件数量也大幅降低。据jason介绍，使用innoswitch3-pd的pd解决方案，不论是跟竞争对手相比，还是跟pi的前一代产品相比，所需要的总原件数量都降低了。
他拿一款60w的pd快充解决方案举例，新的innoswitch3-pd在初级侧需要35颗元件、次级侧需要16颗元件、usb-pd接口端需要9颗元件，全部加起来是60颗元件。而pi前一代产品的数量是79，竞争对手的解决方案甚至到了124颗。
jason还强调，这还不是最低的，如果是做20w的pd快充，其实只需要44颗元件就能搞定。
“元件数量的降低，并不表示性能降低了，我们的解决方案效率最高可达95%，空载功耗低至14mw、输出功率可达100w，且无需散热片。”他自豪地表示。
innoswitch3-pd适用于快充应用的主要特性
innoswitch3-pd是专为pd快充应用打造的，首先，其内部集成的usb pd控制器支持usb pd 3.0+pps和qc4.0协议，具有一次性可编程（otp）存储器；其次，其内部集成的type-c控制器可简化设计，它符合usb type-c rev. 1.3标准（上拉电流源用于负载和线缆检测，vconn供电用于电子标签线缆），cc1/cc2具有过压保护；三是该芯片提供所有必须的usb-pd和pps功能，省去了软件和接口电路的开发时间和成本；四是具备用于ntc电阻的专用温度检测引脚。
在输出功率方面，最高可支持100w输出。根据pi提供的信息，在最大输出功率为40w或45w以下时，可选用内置mos开关的inn3865c、inn3866c、inn3867c这三个型号；如果输出功率在55w以上，建议选用内置powigan开关的inn3878c、inn3879c及inn3870c几个型号。
为了满足不同的市场需求，innoswitch3-pd提供了多款元件型号，可适用于pdo和apdo的各种应用场景。
最后，jason还特别介绍了pi的两个参考设计der-837和rdr-838。其中der-837是一款45w的pd3.0+pps解决方案，元件数量是54，空载输入功耗小于20mw，与doe6和coc v5 2016标准相比有高出2.5%以上的裕量。
rdr-838则是一款60w的pd 3.0+pps解决方案，元件数量是61，空载输入功耗小于35mw，与doe6和coc v5 2016标准相比有高出2%以上的裕量。
结语
总的来说，pi延续了其一贯的策略，就是帮助客户较少bom表中的元件数量，innoswitch3-pd也不例外，接下来就看客户的接受程度如何了。
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高度集成的usb pd单芯片解决方案
根据pi公布的innoswitch3-pd快充方案原理图，其bom确实比较简单，原因是innoswitch3-pd本身的集成度变高了，该芯片同时兼顾了功率器件和数字器件，内部集成了高压mos管、还有两个电源控制器、微控制器等。
在初级侧，innoswitch3-pd集成了高压mos开关，且对于功率比较大的应用场景，高压mos开关换成了gan开关。支持多模式qr和ccm工作方式。
jason谈到多模式工作方式时特别之处，反激式电源应用中还需要进行一些优化，比如说当电源工作在ccm模式下时，在初级侧有个功率开关，次级侧有一个同步整流开关，这两个开关是不能同时开通的，如果同时开通了，电源就有可能会炸掉。
“我们用一个控制器同时控制两个功率开关，这样可以保证它们的时序不会出现两个开关同时开通的情况。这样就可以保证电源的可靠性。”jason对媒体表示。
图：单芯片pd快充解决方案原理图（来源：pi）
在次级侧，innoswitch3-pd可以直接驱动同步整流开关，这样做效率更高，也更加安全可靠。
在pd应用中，输出负载一般会有一个功率开关，只有当type-c接口有设备接入的时候，比如接上了手机，这个开关就会开通。而一旦检测到是空载的情况时，开关就会关闭，输出端将不会有电压出现。innoswitch3-pd内部集成了一个n通道负载开关驱动。同时，该芯片还提供了放电路径，一旦负载拔掉后，电容上的电量就可以通过该内部放电电路泄放掉，以保证输出端始终是安全电压。
innoswitch3-pd在次级侧还集成了usb type-c和pd控制器。控制器的主要工作是：
一是负载类型的检测，判断负载是有源负载还是无源负载。
二是做e-marker电缆检测，因为type-c电缆有不同的输出规格，支持5a及以上电流的电缆内部需要放置一颗ic，目的是让连接端的设备对电缆进行识别，如果电缆中有ic存在，就表明可以送出5a的电流。同时pd控制器也需要对电缆做出判别，判断目前的电缆是只允许3a的电流输出，还是可以做到5a。一般来说100w的pd快充就要做到20v/5a，此时电缆就一定要有e-marker芯片在内。
此外，pd控制器还有一个作用，那就是对vbus/vconn开关进行控制。因为如果电缆中有e-marker芯片的话，就需要对其进行供电，vconn就是这样的一个供电端。jason yan特别指出，这里仅为一个供电电源，支持pps，即可编程电源，可对电压和电流进行精确的设定。
在cc1和cc2引脚上可进行代码传输，额定电压最大可达28v。其实，在pd应用中，目前最高的电压是20v，因此该电压是安全的，如果有更高的电压进来的话，它会提供ovp保护，内部集成了vconn供电。
jason还特别提到一个有意思的点，那就是innoswitch3-pd内部有一个温度检测输入，可以检测电源系统中每个地方的温度，因为这个检测元件是可以根据需要放置在任何地方的，如果放到整流管上，就能测量整流管的温度，如果放在type-c连接器上，就能检测连接器的温度。
对于pd的输出电压和电流，则可以根据cc1或者cc2的指令来设定。jason表示，输出电压经过vout检测之后，进行闭环控制，可以做到非常精确，比如说你需要5.32v的电压，pd电源就可以精确地调整到5.32v输出。具体来说，在电压方面，可做到3~24v之间可调，档位压差是10mv；恒流控制方面，电流可以在最大输出值的20%~100%之间进行调整，电流的档位是最大输出值的0.8%。
jason解释说，电流和电压都可以精确控制其实是有一个非常大好处的。他举例说，手机在充电的时候，手机会发烫，原因一是电池在发热，二是手机内部有一个电源管理ic，该ic其实是一个dcdc降压电路，它的作用是将充电器输入进来的电压降至电池所需要的电压，而这个降压过程其实是有损耗的，这个损耗就会以热量的形式散发出来。
而如果输入电压和电流可以精确控制了的话，那么，手机中的这颗电源管理ic就可以省掉了。当然，jason也承认，目前并没有手机厂商将这颗电源管理ic去掉，因为它们需要兼容不同的充电器，单不排除以后都是pd充电器时，会省掉该芯片。
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rdr-838则是一款60w的pd 3.0+pps解决方案，元件数量是61，空载输入功耗小于35mw，与doe6和coc v5 2016标准相比有高出2%以上的裕量。
结语
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