安森美 USB - C 電池充電器解決方案

出處：網絡整理發(fā)布于：2025-08-28 15:45:10

在當今數(shù)字化時代，USB 電池充電器對于各類便攜式設備的正常運行起著至關重要的作用。從電動玩具、智能手機，到筆記本電腦、電動工具以及電動自行車等，這些設備都依賴 USB 充電器來獲取電力。而 USB Type - C（USB - C 接口）憑借其一系列顯著優(yōu)勢，已超越其他 USB 類型，成為有線充電與數(shù)據傳輸?shù)耐ㄓ脴藴省?/p>

現(xiàn)代搭載 Power Delivery 3.1（PD 3.1）充電協(xié)議的 USB - C 充電器，能夠提供高達 240 瓦（W）的功率輸出，這不僅極大地縮短了充電時間，還顯著提升了整體用戶體驗。與此同時，在硬件系統(tǒng)中采用寬禁帶半導體正為充電設備帶來革命性的效率提升。寬禁帶半導體材料具有高擊穿電場、高電子遷移率等特性，能夠減少能量損耗，并且有助于縮小設備體積，使充電器更加輕便小巧。

安森美 USB - C 電池充電器框圖

下面的框圖展示了安森美（onsemi）精心設計的 USB - C 電池充電器解決方案。該圖清晰地說明了 USB - C 電池充電器中所使用的電源管理和電源轉換技術。所采用的元件包括 TP PFC 控制器、高頻準諧振反激 / LLC 控制器、柵極驅動器、同步整流電路，以及 iGaN 和 MOSFET 器件。這些元件被巧妙地分為初級側和次級側兩個部分，這樣的設計有助于提升系統(tǒng)效率。如以下器件表所示，大部分功能模塊器件均可采用安森美解決方案。

圖 1 USB - C 電池充電器 - 交流輸入

圖 2 USB - C 電池充電器 - 直流輸入 (自動)

240W TP CrM PFC + 雙開關反激式參考設計

本設計采用安森美電源管理控制器方案，包含 TP PFC 控制器、高頻準諧振反激控制器、半橋柵極驅動器及同步整流控制器，并通過集成 GaN FET 的柵極驅動器實現(xiàn)功率開關，專為 240W USB - C PD3.1 適配器解決方案開發(fā)。

圖 3 240W TPFC + 雙開關準諧振反激式評估板 (EVB)

其特性如下：

交流輸入電壓范圍：90V 至 264V，能夠適應不同地區(qū)的電網電壓，具有廣泛的適用性。
拓撲結構：采用圖騰柱 CrM PFC + 雙開關準諧振反激拓撲，這種拓撲結構結合了圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）和雙開關準諧振反激的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)高效的功率轉換和良好的功率因數(shù)校正。
高頻工作：采用 iGaN 器件實現(xiàn)高頻工作，iGaN（集成氮化鎵）器件具有開關速度快、導通電阻小等優(yōu)點，能夠提高充電器的工作頻率，從而減小磁性元件的尺寸，提高充電器的功率密度。
協(xié)議支持：仿真電路支持 PD3.1 多路輸出協(xié)議，可輸出 5V、9V、12V、15V、20V、28V、36V 和 48V / 5A 等多種電壓，滿足不同設備的充電需求。
紋波與噪聲：紋波與噪聲 <150 mV，能夠為設備提供穩(wěn)定、干凈的電源，減少對設備的干擾。
效率：平均 94.75% / 95.43% 及滿負載 95.12%/ 96.17% @115VAC / 230VAC 及 48V / 5A，具有較高的轉換效率，能夠減少能量損耗，降低發(fā)熱。
輸出保護：具備的過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、短路保護（SCP）和開環(huán)保護，能夠有效保護充電器和充電設備的安全。
尺寸與功率密度：PCB A 尺寸為 89×51×21.5mm，功率密度 40W / 立方英寸，體積小巧，功率密度高，適合應用于對空間要求較高的場合。

安森美 USB - C 端口控制器

安森美 USB - C 端口控制器具備自主工作特性，兼具高能效和耐壓性，從而顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、性能和成本效益。該控制器為全配置的 USB - C PD 控制器，適用于高達 100W 的解決方案，其功耗比競爭對手低 40 倍，是現(xiàn)代電子設備的理想選擇。

USB - C PD 控制器 FUSB302B/T

面向期望實現(xiàn) DRP/SRC/SNK USB Type - C 連接器，但需要少量編程的系統(tǒng)設計人員。
主要特性：

標準支持：支持 USB Type - C 1.3 和 Power Delivery（PD）2.0、3.0 標準，確保與市場上大多數(shù) USB - C 設備的兼容性。
軟件支持：提供完整的開源軟件支持，涵蓋所有工作模式以及 ARM、Linux 和 PIC 硬件平臺，方便開發(fā)人員進行開發(fā)和調試。
集成設計：將 CCx 集成到 VCONN 開關上，簡化了電路設計，減少了外部元件的使用。
容錯機制：具備強健的 BMC 接收器容錯機制，能夠在信號傳輸出現(xiàn)干擾或錯誤時，保證數(shù)據的準確接收和處理。
產品 ID 與地址選項：支持多個產品 ID，提供多種 I2C 從地址選項，方便用戶根據不同的應用場景進行配置。

系列產品差異：

FUSB302B - DRP，可在電池完全耗盡時實現(xiàn)充電功能，適用于對充電可靠性要求較高的設備。
FUSB302T - SRC，適用于需節(jié)省功耗的旅行充電器，能夠在滿足充電需求的同時，降低充電器的功耗。

封裝形式：采用 14 引腳 MLP 封裝（2.50mm x 2.50mm），-B/T/VMPX；采用 9 焊點 WCSP 封裝（1.260mm x1.215mm）， -BUCX，提供了多種封裝選擇，方便根據不同的應用場景進行布局。

USB - C 控制器 FUSB303B

支持通過可配置的 I2C 地址訪問，以便在單個系統(tǒng)中實現(xiàn)多個端口的控制，也可以僅通過引腳配置實現(xiàn)完全自主運行。
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 規(guī)范第 1.3 版，可配置為 Source、Sink 和 DRP 模式，并支持外設功能，能夠根據不同的連接情況自動調整工作模式。
模式配置：通過 Try.SRC 和 Try.SNK 對 Source、Sink 進行配置，通過 GPIO 或 I2C 進行配置，提供了靈活的配置方式，滿足不同應用的需求。
檢測算法：獨特的檢測算法，確保在使用不合規(guī)線纜或器件時仍能穩(wěn)定連接，提高了充電器的兼容性和可靠性。
電壓與 ESD 保護：連接器引腳支持 28V 直流電壓和 4kV HBM ESD 保護，能夠有效保護充電器和連接設備免受電壓沖擊和靜電損傷。
供電范圍：寬電壓供電范圍為 2.7V 至 5.5V VDD，能夠適應不同的供電電源。
封裝形式：采用 12 引腳 QFN（1.6mm x 1.6mm x0.375mm）封裝，體積小巧，適合應用于對空間要求較高的場合。

圖 4 典型應用示意圖