综合报告

这篇文章的研究题为“Secondary Side-Controlled Fly-Back Converter for USB PD Charger Application”，作者包括来自 Infineon Technologies 的 Dighrasker Milind、Jeevan Thomas、Rajendran Rajarajan 和 Kavan Gangadhar Acharya，均为印度班加罗尔的研究人员。文章发表于 IEEE 国际会议 “IEEE International Communications Energy Conference (INTELEC)” 上，具体发表年份为2024年。

研究背景与意义

随着电子设备的普及和功能需求的增长，快速充电技术以及兼容多种设备的通用解决方案受到广泛关注。基于通用串行总线 (USB) 的电能传输 (Power Delivery, USB-PD) 快充协议，支持多种输入与输出电压范围（如支持90-264V输入，以及5-21V输出的电压调节），成为了现今市场的标准。然而，USB-PD 充电器在设计过程中需要应对多个技术挑战，包括高功率密度、满载与轻载下的高效率，以及对广泛输入输出电压范围的严格调控。

传统的反激式转换器（Fly-Back Converter）以其设计简单、成本低、适应宽范围输入输出电压的特点，成为充电器应用中广泛采用的拓扑之一。然而，其控制系统通常需要多个芯片（IC）以分别实现功率调控、同步整流（SR）控制及 USB-PD 协议支持，从而导致器件复杂性增加、效率和系统集成度受限。此外，传统架构通常采用光耦合器（Optocoupler）作为隔离手段，但光耦器件的可靠性问题（如寿命有限）也限制了其长期性能。

为了解决这些问题，作者提出了一种基于 Infineon 新型芯片 PAG2S 和 PAG2P 的次级控制 (Secondary Side-Controlled, SSC) 反激式转换器架构，通过减少 IC 数量，实现更高效的电源管理设计。

研究方法与工作流程

研究方法围绕设计和验证一种新型的次级侧控制反激式转换器结构展开，该结构由 PAG2S 和 PAG2P 两片芯片（IC）共同实现关键功能。研究工作分为以下几个环节：

1. 设计新型的系统架构
   通过整合次级侧 PWM 控制、电压及电流管理、同步整流（SR）控制与 USB-PD 通讯功能，该架构有效减少了芯片数量，从传统的3颗芯片减至2颗。具体采用了 Pulse Edge Transformer（PET，脉冲边缘变压器）取代了传统架构中的光耦合器，用于实现次级与初级控制之间的隔离，并提升了系统可靠性。整体架构支持多种高效电源拓扑，包括有源箝位反激（Active Clamp Fly-Back, ACF）、准谐振零电压开关（Quasi Resonant Zero Voltage Switching, QR-ZVS）以及经典准谐振拓扑 (QR)。

2. 芯片功能模块与信号处理设计
   PAG2S 芯片作为次级控制器，负责感应并调节次级参数，包括辅助实现同步整流（SR）控制及 USB-PD 协议电压输出调节功能；而 PAG2P 则负责初级 FET 的驱动及保护功能。例如，PAG2S 芯片内部集成了高精度的误差放大器（Error Amplifier, EA），用于实现恒压（CV）和恒流（CC）模式的智能调节，还提供了轻载效率优化功能（Skip Mode）。PAG2S 中的比较器还能识别次级侧关键节点（如 SR FET 漏极电压的负电平信号 NSN 和零交叉点 ZCD），从而驱动同步整流 MOSFET 的开关操作。

3. 实验验证过程与参数设定
   本实验构建了一个基于提议架构的 65W USB-PD 充电器原型，具体设计参数如下：

   • 输入电压范围：90-265V
   • 输出电压支持范围：5V-20V（多种配置：5V/3A, 9V/3A, 15V/3A, 20V/3.25A）
   • 转换器主频：最高150kHz
   • 功率密度：32.5W/in³
   • 投入有源箝位反激与准谐振零电压拓扑用于性能验证。

4. 实验步骤与数据采集
   利用示波器、效率分析仪等实验设备，测试了多种拓扑的操作模式，包括 ACF 模式的零电压开关 (ZVS) 验证、QR-ZVS 轻载调节能力以及传统 QR 模式下的谷值开关性能。采集了热成像数据以验证温度管理能力，并测试了不同负载条件下的效率表现及 EMI 发射特性。

主要研究结果

1. 效率表现
   在230V输入条件下，65W充电设备的峰值效率达到了94.5%，而在115V输入条件下则为93.8%。此外，系统轻载效率显著超越相关国际标准。以180mW及250mW轻载情况下的效率超过了65%，符合最新的能效法规（例如 EUP Lot6 v2）。

2. 功率密度与热管理
   通过创新的系统集成设计，设备的功率密度达到32.5W/in³，这在同类产品中具有显著的竞争力。温度测试结果表明，在90V和265V输入，以及25度环境温度与满载条件下，转换器的主要器件温度均保持在安全范围之内，验证了其良好的热管理性能。

3. EMI 抑制性能
   已完成的 EMI 测试结果显示，在115V和230V输入情况下，设备的 EMI 特性超出 CISPR32 Class B 标准要求的5dB裕量，即使在紧凑设计下也具有卓越的电磁干扰抑制能力。

4. 综合功能实现
   次级控制器有效实现了对 USB Power Delivery 的全协议兼容性，包括高效的同步整流操作、多种负载条件下的轻载及重载模式切换，以及对有源箝位模式和准谐振模式下的零电压开关或谷值开关操作的支持。这些结果表明，PAG2S 和 PAG2P 的组合能够满足多种高效转换器应用要求。

研究结论与意义

本研究提出了一种新型次级侧控制反激式转换器，其核心在于使用 PAG2S 和 PAG2P 芯片架构显著简化了 USB PD 充电器的硬件设计，将传统三芯片方案减至两芯片方案。此外，该解决方案通过脉冲边缘变压器 (PET) 实现安全可靠的隔离，取代了传统光耦隔离设计，优化系统寿命与效率。

结合实验结果，该研究展示了提议转换器方案在多个关键指标上的显著性能优势，如功率密度、转换效率、轻载效率以及热管理性能等。此架构适用于所有高效率反激式电源拓扑，并有潜力成为市场上的主流设计方案。

研究亮点

1. 功率密度创纪录：应用 PAG2X 芯片实现了每立方英寸32.5瓦的综合功率密度。
2. 高效率表现：ACF 架构下效率达94.5%，支持全负载条件零电压开关 (ZVS)。
3. 功能集成创新：通过 PET 大幅提升了初级与次级之间信号传输的性能与可靠性。
4. 设备可靠性提升：摒弃光耦隔离设计，解决光耦寿命问题，同时显著优化同步整流性能。

总结

这项研究通过提升次级侧控制技术的集成度，为USB PD充电器市场提供了一种高效、可靠且适应性强的解决方案。其创新性的设计不但提供了高效能的转换器架构，同时也为未来的电源管理设计奠定了技术基础。这一研究对快速充电技术的进一步发展具有重大意义，并为行业提供了有力的技术支持。