在当今数字化时代，USB 电池充电器对于各类便携式设备的正常运行起着至关重要的作用。从电动玩具、智能手机，到笔记本电脑、电动工具以及电动自行车等，这些设备都依赖 USB 充电器来获取电力。而 USB Type - C（USB - C 接口）凭借其一系列显著优势，已超越其他 USB 类型，成为有线充电与数据传输的通用标准。
现代搭载 Power Delivery 3.1（PD 3.1）充电协议的 USB - C 充电器，能够提供高达 240 瓦（W）的功率输出，这不仅极大地缩短了充电时间，还显著提升了整体用户体验。与此同时，在硬件系统中采用宽禁带半导体正为充电设备带来革命性的效率提升。宽禁带半导体材料具有高击穿电场、高电子迁移率等特性，能够减少能量损耗，并且有助于缩小设备体积，使充电器更加轻便小巧。
下面的框图展示了安森美（onsemi）精心设计的 USB - C 电池充电器解决方案。该图清晰地说明了 USB - C 电池充电器中所使用的电源管理和电源转换技术。所采用的元件包括 TP PFC 控制器、高频准谐振反激 / LLC 控制器、栅极驱动器、同步整流电路，以及 iGaN 和 MOSFET 器件。这些元件被巧妙地分为初级侧和次级侧两个部分，这样的设计有助于提升系统效率。如以下器件表所示，大部分功能模块器件均可采用安森美解决方案。
图 1 USB - C 电池充电器 - 交流输入
图 2 USB - C 电池充电器 - 直流输入 (自动)
本设计采用安森美电源管理控制器方案，包含 TP PFC 控制器、高频准谐振反激控制器、半桥栅极驱动器及同步整流控制器，并通过集成 GaN FET 的栅极驱动器实现功率开关，专为 240W USB - C PD3.1 适配器解决方案开发。
图 3 240W TPFC + 双开关准谐振反激式评估板 (EVB)
其特性如下：
- 交流输入电压范围：90V 至 264V，能够适应不同地区的电网电压，具有广泛的适用性。
- 拓扑结构：采用图腾柱 CrM PFC + 双开关准谐振反激拓扑，这种拓扑结构结合了图腾柱功率因数校正（PFC）和双开关准谐振反激的优点，能够实现高效的功率转换和良好的功率因数校正。
- 高频工作：采用 iGaN 器件实现高频工作，iGaN（集成氮化镓）器件具有开关速度快、导通电阻小等优点，能够提高充电器的工作频率，从而减小磁性元件的尺寸，提高充电器的功率密度。
- 协议支持：仿真电路支持 PD3.1 多路输出协议，可输出 5V、9V、12V、15V、20V、28V、36V 和 48V / 5A 等多种电压，满足不同设备的充电需求。
- 纹波与噪声：纹波与噪声 <150 mV，能够为设备提供稳定、干净的电源，减少对设备的干扰。
- 效率：平均 94.75% / 95.43% 及满负载 95.12%/ 96.17% @115VAC / 230VAC 及 48V / 5A，具有较高的转换效率，能够减少能量损耗，降低发热。
- 输出保护：具备的过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、短路保护（SCP）和开环保护，能够有效保护充电器和充电设备的安全。
- 尺寸与功率密度：PCB A 尺寸为 89×51×21.5mm，功率密度 40W / 立方英寸，体积小巧，功率密度高，适合应用于对空间要求较高的场合。
安森美 USB - C 端口控制器具备自主工作特性，兼具高能效和耐压性，从而显著提升了系统的稳定性、性能和成本效益。该控制器为全配置的 USB - C PD 控制器，适用于高达 100W 的解决方案，其功耗比竞争对手低 40 倍，是现代电子设备的理想选择。
面向期望实现 DRP/SRC/SNK USB Type - C 连接器，但需要少量编程的系统设计人员。
主要特性：
- 标准支持：支持 USB Type - C 1.3 和 Power Delivery（PD）2.0、3.0 标准，确保与市场上大多数 USB - C 设备的兼容性。
- 软件支持：提供完整的开源软件支持，涵盖所有工作模式以及 ARM、Linux 和 PIC 硬件平台，方便开发人员进行开发和调试。
- 集成设计：将 CCx 集成到 VCONN 开关上，简化了电路设计，减少了外部元件的使用。
- 容错机制：具备强健的 BMC 接收器容错机制，能够在信号传输出现干扰或错误时，保证数据的准确接收和处理。
- 产品 ID 与地址选项：支持多个产品 ID，提供多种 I2C 从地址选项，方便用户根据不同的应用场景进行配置。
系列产品差异：
- FUSB302B - DRP，可在电池完全耗尽时实现充电功能，适用于对充电可靠性要求较高的设备。
- FUSB302T - SRC，适用于需节省功耗的旅行充电器，能够在满足充电需求的同时，降低充电器的功耗。
封装形式：采用 14 引脚 MLP 封装（2.50mm x 2.50mm），-B/T/VMPX；采用 9 焊点 WCSP 封装（1.260mm x1.215mm）， -BUCX，提供了多种封装选择，方便根据不同的应用场景进行布局。
支持通过可配置的 I2C 地址访问，以便在单个系统中实现多个端口的控制，也可以仅通过引脚配置实现完全自主运行。
主要特性：
- 自主配置：完全自主配置的 Type - C 控制器，支持 USB Type - C 规范第 1.3 版，可配置为 Source、Sink 和 DRP 模式，并支持外设功能，能够根据不同的连接情况自动调整工作模式。
- 模式配置：通过 Try.SRC 和 Try.SNK 对 Source、Sink 进行配置，通过 GPIO 或 I2C 进行配置，提供了灵活的配置方式，满足不同应用的需求。
- 检测算法：独特的检测算法，确保在使用不合规线缆或器件时仍能稳定连接，提高了充电器的兼容性和可靠性。
- 电压与 ESD 保护：连接器引脚支持 28V 直流电压和 4kV HBM ESD 保护，能够有效保护充电器和连接设备免受电压冲击和静电损伤。
- 供电范围：宽电压供电范围为 2.7V 至 5.5V VDD，能够适应不同的供电电源。
- 封装形式：采用 12 引脚 QFN（1.6mm x 1.6mm x0.375mm）封装，体积小巧，适合应用于对空间要求较高的场合。
图 4 典型应用示意图
关键词：USB - C
