【導讀】隨著移動設備的功率需求呈指數(shù)級增長，快充技術在過去幾年得到了迅猛發(fā)展。2020年末，手機市場領導者（如蘋果、小米和三星）開始不再提供手機包裝內附送的適配器。這一變化引發(fā)了零件市場適配器的又一波需求熱潮，也印證了快充適配器市場的兩大趨勢。
第一個趨勢是對多端口適配器的需求。傳統(tǒng)的手機隨附適配器無論功率多大，都只提供單個USB端口。一旦不再附送適配器，傳統(tǒng)的“one phone, one adapter（一部手機配一個適配器）”的概念就變得毫無意義，因為客戶開始更喜歡多個 USB 端口設計的適配器?，F(xiàn)代消費者在日常生活都會用到大量的電子設備（例如手機、平板電腦和筆記本電腦），無論在家中還是在旅途中，擁有一個可以同時為多個設備供電的適配器，當然是首選的充電方式（見圖 1） 。
圖1: 帶3C1A USB端口的100W適配器
第二個趨勢是適配器需要可以適用于超過100W的更高功率水平。由于快充技術的發(fā)展，大多數(shù)適配器的功率水平也在不斷提高。USB PD協(xié)議允許高達20V的充電電壓和5A充電電流。
迄今為止，出于量產(chǎn)成本以及單個便攜式設備實際充電要求等考慮，市場上的大多數(shù)產(chǎn)品附送適配器功率仍低于65W。
但由于為多個設備充電需要更高的功率，許多零件市場的多端口適配器已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的功率限制。而且，因為可以為更多設備充電，更高的成本也變得可以接受。因此，額定功率超過100W的大功率適配器正逐步成為主流產(chǎn)品。
對于最高功率65W的適配器，單級反激拓撲一直以來都是最常用的解決方案。特別是對具有寬輸入和輸出電壓范圍的單端口快充適配器而言，反激解決方案無需額外的 DC/DC 功率級即可適應多種電壓組合。然而，基于上述趨勢，市場需要快充適配器解決方案有所變革。
首先，大多數(shù)地區(qū)對電源都有強制的功率因數(shù)規(guī)范，當額定功率超過一定水平時，需要在前端進行功率因數(shù)校正（PFC）。其次，反激解決方案很難滿足100W以上應用的效率和功率密度要求。
由于多端口適配器要求每個端口都能夠獨立調節(jié)輸出電壓，因此每個端口必須有自己的 DC/DC 級。這意味著主電源只需要提供固定的輸出電壓即可，無需提供可調電壓。這使得兩級PFC + LLC 組合控制器成為更適合多端口大功率適配器的解決方案。LLC 是一種諧振變換器，它可在寬負載范圍內實現(xiàn)零電壓開關 (ZVS)。輸入端為PFC，輸出端為 DC/DC，LLC 解決方案實現(xiàn)了比反激解決方案更高的效率和功率密度。圖 2 顯示了典型的PFC + LLC 解決方案。
圖2: 采用HR1211實現(xiàn)的典型PFC + LLC控制器解決方案
我們以MPS的HR1211為例進行說明。HR1211是一款數(shù)字 PFC + LLC combo控制器，可用于大功率多端口PD適配器設計。
該PFC + LLC combo控制器是多端口適配器的理想解決方案。HR1211中的混合控制方案允許PFC 級的連續(xù)導通模式 (CCM) 和斷續(xù)導通模式 (DCM)。在滿載條件下，CCM降低了傳導損耗（尤其是在低壓線路輸入時）和電感尺寸要求。與此同時，LLC 級通過自適應死區(qū)時間追蹤技術實現(xiàn)了電流控制模式，保證了ZVS 操作在任何條件下都具有最小死區(qū)時間。這最大限度地降低了LLC 變換器的開關和傳導損耗。這些特性對實現(xiàn)高效率和高功率密度至關重要。在具有 3C1A USB 端口的100W PD 適配器中，從 AC 到 LLC 輸出的滿載效率接近95%（參見圖 3）。
圖3: 100W適配器設計中的HR1211滿載效率
基于此，我們可以在非常小的尺寸 (76mmx61mmx29mm) 下實現(xiàn)100W大功率適配器，而且可以輕松控制溫升。圖 4顯示了在 20V/5A 的連續(xù)滿載工作條件下，該解決方案的最高溫度為 77°C。
圖4: 在連續(xù)20V/5A 輸出條件下的熱性能
HR1211的專有控制方案還具有卓越的輕載性能。隨著負載的降低，該解決方案將逐步將PFC 操作從CCM模式改為DCM模式，并降低開關頻率。在輕載條件下，LLC 控制采用跳頻模式和突發(fā)模式來降低 LLC 變換器的等效開關頻率，從而降低開關損耗。
圖 5 顯示了在輸出電壓為20V時，USB Type-C 輸出之一從10%負載到滿載時的效率。PFC + LLC combo可以分別實現(xiàn)88.3%的高壓線路平均效率和89%的低壓線路平均效率，輕松滿足全球效率規(guī)范。
圖5: USB Type-C輸出效率
該解決方案的另一個好處是采用數(shù)字化設計，更具靈活性。它不僅外部電路相當簡單，而且HR1211芯片具有數(shù)字內核和多次可編程（MTP）存儲器，因而具有豐富的可編程性。可以通過基于 UART 的通信接口和圖形用戶界面 (GUI) 編程各種操作模式里的關鍵參數(shù)、開關特性、調整率以及轉換閾值。
憑借這種靈活的數(shù)字化設計，我們可以根據(jù)給定設計輕松優(yōu)化效率、紋波、噪聲和保護等各類性能（參見圖 6）。這一點對快速發(fā)展的市場（如大功率快速充電適配器）尤為重要。一旦市場對電源規(guī)格、外形規(guī)格或性能規(guī)范提出新的需求，PFC + LLC combo控制器都能夠快速做出響應。
圖6: HR1211圖形用戶界面
快充適配器市場不斷發(fā)展，超過100W 的大功率適配器以及具有多個USB PD端口的新型適配器需求不斷涌入。HR1211這種數(shù)字PFC + LLC 控制器解決方案可以很好地滿足此類需求，其出色的效率、性能、功率密度和靈活性將助力適配器市場進入新時代。
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