140W PD3.1快充如何設計？
10月19日凌晨
，
蘋果正式推出
MacBook Pro
2021
，
併為16英寸
MacBook Pro
標配了一款140W USB-C充電器
，這也是全求首款USB PD3。1快充標準的電源產品，標誌著消費類電源市場正式佈局USB PD3。1快充時代。據悉，蘋果140W快充採用的是BUCK PFC + LLC架構。
140W是USB PD3。1規範新推出的功率等級，
與USB PD3。0最明顯的區別是輸出電壓由20V提升到28V，而輸出電流不變依舊是5A。透過電壓提高，獲得更高的輸出功率。和最早的高通QC快充路線相同，都是提高電壓，來獲得輸出功率的增加。這樣的做法可以避免線纜和聯結器重新設計，增添額外的成本，阻礙新技術普及。
同時還
能
透過氮化鎵技術的應用
，讓充電器保持小巧的體積。
曾經非常流行的低壓大電流快充，是將裝置內部的充電電路直通，由充電器進行電池充電。裝置內部沒有充電電路，也就不會發熱，有著很好的快充體驗。但是大電流對聯結器和線纜都有著很高的要求，線纜內部的線芯要足夠粗，並且聯結器也要特殊設計，導致通用性很差。另外低壓大電流的電流，考慮到種種原因，也是不能無限制增大的，最大的輸出功率也很有限。
而PD協議的誕生，就是要用一個充電器，去解決絕大多數裝置的充電問題。電源的輸出電流，延用了傳統的最大輸出電流為5A，這樣做無需對線纜和聯結器進行重新設計，不增添成本，對廠商和使用者來說，都是一個好訊息。我們上面說過，要提高輸出功率，不提高輸出電流的話，就要靠提高輸出電壓來實現，我們這篇文章就來說說，140W的PD快充要如何設計。
PFC電路+初級拓撲
PFC是功率因數校正電路
，在充電器中用於將整流後的電壓升壓，再透過電容濾波為反激或者ACF或LLC初級供電。現在多家廠商已經將PFC升壓控制器和初級控制器整合到一顆晶片中，簡化電路設計並實現更高的效率，並且二合一也符合充電器高整合度的要求，是將來的發展趨勢，所以視作為一個整體。
這張表格是充電頭網歸納的PFC控制器引數，其中
MPS芯源半導體
、
NXP恩智浦
、
ONSEMI安森美
、
Infineon英飛凌
均推出了PFC和初級控制器二合一的控制器，一顆晶片搞定充電器初級全部功能，實現更高的整合度。
一般來說，75W以上的充電器都需要增加PFC電路，這樣做可以解決兩個痛點；第一是為了照顧低壓輸入而採用較大容量的初級濾波電容，會佔據充電器中相當大的一部分體積，體積增大，使得充電器不便攜帶。第二是大容量的電容，在交流電透過整流橋為電容充電時，呈現容性負載，產生很大的衝擊電流，對電網造成汙染和干擾。
處於對體積和電網的考量，大功率充電器中的電容，不能按照小功率充電器2μF/W的公式來選擇了。使用升壓式PFC升壓電路，可以把整流後的電壓升壓，升壓到380V左右為初級供電。減小不必要電容容量的同時，還消除了大容量電解電容對電網造成的干擾。
說完了PFC電路的必要性，再來說說初級的拓撲。常見的充電器初級拓撲分為反激、ACF有源主動鉗位和LLC半橋諧振。其中反激屬於將初級能量儲存在磁芯中再釋放，做大功率，需要較大的變壓器體積，同時效率也較低，對體積要求較低以及低成本方案可以選用反激方案。
ACF有源鉗位是一種最佳化的反激方案，透過使用MOS管取代反激電路中的RCD吸收回路，可以將漏感能量再利用，可以減小開關損失，提高轉換效率。也支援更高的開關頻率，充電器可以在體積得到控制的同時支援寬電壓範圍輸出。
而LLC半橋諧振屬於軟開關
，轉換效率是三種拓撲中最高的。但是有得必有失，LLC輸入電壓可以透過PFC前級穩壓供電，但是輸出電壓不能滿足PD3。1的5-28V寬範圍輸出。必須另外搭配降壓電路來實現寬電壓的輸出範圍。
總體來說，反激的效率較低，體積較大，適用於低成本的充電器解決方案。而ACF可以提高整體的轉換效率，增添一個開關管，可以大幅減小體積，價效比高。LLC架構，雖然說轉換效率是最高的，但是還要增添獨立的降壓電路才能實現寬範圍的電壓輸出，效率優勢反而不明顯，並且成本最高。
次級同步整流的變化
同步整流是指整流管隨著初級開關管開通而同步關斷，初級開關管關閉而同步導通，同步整流由此得名。同步整流採用導阻極低的MOS管代替肖特基二極體，減小大電流流過的壓降損耗，從而顯著提高充電器效率。
輸出電壓的升高，
對同步整流控制器的耐壓要求更高
，通常來說，同步整流控制器檢測腳的耐壓足夠支撐到28V輸出，但是供電電壓卻不一定支援。可能需要增添一級降壓為同步整流控制器進行獨立的供電，使輸出電壓小於同步整流控制器的最高供電電壓，確保同步整流控制器可以穩定工作。
濾波電容有哪些不一樣
以往的PD3。0充電器，最高輸出電壓為20V，使用常用的25V電容，即可很好的滿足濾波需求。PD3。1最低電壓等級是28V，超過了傳統的25V電容耐壓，
電容的耐壓也要對應的上升一檔到35V耐壓
，方可滿足PD3。1的輸出電壓需求。
充電頭網透過拆解發現，隨著充電器功率密度的提升，圓柱固態電容通常都會被貼片鉭電容等其他高分子電容所替代。貼片電容具有更小的體積，空間利用率高，更加適合高功率密度充電器的應用。
協議晶片的更新
協議晶片控制充電器的輸出電壓
，並提供輸出過壓及過流保護。我們目前的協議晶片僅有英飛凌、英集芯等少數廠商推出了支援USB PD3。1，28V輸出的協議晶片。
支援USB PD3。1的協議晶片相比USB PD3。0的協議晶片，需要採用更高的耐壓工藝，EPR擴充套件功率範圍也增加晶片需要處理的內容。
超過20V的輸出電壓，需要EPR線纜配合供電裝置以及受電裝置全部支援，充電器才會開啟高於20V的輸出電壓，確保使用安全。
PMG1-S3協議晶片集成了USB PD3。1協議，內建ARM M0及M0+處理器，片內整合256K Flash和32K SRAM，支援GPIO引腳，內建通路管驅動電路，用於片內供電的穩壓器和引腳高壓保護電路。同時PMG1還提供過壓過流保護、短路保護和反向電流保護。最新引入的韌體保護功能支援安全韌體啟動和簽名韌體更新等安全功能。
英集芯IP2736 是一款整合多種協議，用於 USB 埠的快充協議控制 IC，支援多種快充協議，包括 USB TypeC DFP，PD2。0、PD3。1、PPS、EPR 28V、HVDCP QC5、QC4+、QC3+、QC3。0、QC2。0 、FCP 、SCP、AFC、SFCP、MTK PE+2。0/1。1，UFCS、Apple 2。4A、BC1。2 以及 SAMSUNG 2。0A。為介面卡、車充等單向輸出應用提供完整的解決方案。
充電頭網總結
USB PD3。1是對現有USB PD3。0的功率升級，讓通用的USB PD快充，能夠取代掉一些大功率，專用介面的充電器，減少裝置換代後無用充電器的數量。通用的充電器可以有效減少充電器數量，還提高充電器使用率，減少無謂的成本和浪費。
140W大功率的充電器相對傳統65W小功率的充電器，在內部設計有較大變化。顯著來說是PFC將成為必須，高效率拓撲將在小體積充電器上取代傳統反激拓撲，以獲得更高的效率，更小的體積。今後240W的充電器將要如何設計，我們拭目以待。
