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将USB PD3.1推向240W，解读瑞萨USB PD全范围电压参考设计

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将USB PD3.1推向240W，解读瑞萨USB PD全范围电压参考设计
电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近几年 ， 提升充电效率已经成为移动智能设备的重要卖点 ， 传统USB充电标准已经不能满足用户对充电速度的要求 ， USB PD技术应运而生 。 USB PD快充协议是一种通过USB Type-C接口进行高功率输出的充电协议 。 相比传统的USB充电标准 ， USB PD能够提供更高的功率输出 ， 从而实现更快的充电速度 。 并且 ， USB PD协议支持多种功率挡位 ， 灵活性更高 。
在今年的进博会上 ， 瑞萨电子展示了一款USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计 ， 提供从“墙到电池”整体解决方案 。 一般而言 ， USB PD快充提供的效率都是50-140W 。 不过 ， USB-IF协会在介绍USB PD3.1协议时就曾提到 ， USB PD3.1允许将最大充电功率提升至240W ， 同时新增28V、36V、48V三组固定输出电压挡位 ， 以及15V-28V、15V-36V、15V-48V三组可调电压挡位（简称AVS） 。
在这个参考设计里 ， 瑞萨电子将USB PD3.1的功率推向了最高的240W ， 且参考示例的体积和目前电脑充电器的体积相当 。

左上角为参考示例的整体显示 ， 体型和当前电脑USB PD快充相当
瑞萨电子的USB功率传输系列基于USB功率传输标准 (USB PD) 标准而设计 ， 通过上图也可以看出 ， 这个参考设计拥有多个子单元 ， 包括240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案 ， 240W USB Type-C电池系统参考设计 ， 以及电池电量计评估模块 。
240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案【将USB PD3.1推向240W，解读瑞萨USB PD全范围电压参考设计】在240W零电压开关ZVS PD3.1 EPR 48V电源方案里 ， 使用到的瑞萨电子元器件包括iW9801 ACIDC数字ZVS反激控制器 ， iW780 USB PD3.1协议IC (支持48V输出) ， iW676同步整流控制器和R2A20132交错式PFC控制器 。
瑞萨电子iW9801 ACIDC数字ZVS反激控制器集成了瑞萨电子的专利自适应零电压开关（ZVS）技术 ， 可实现高效率和低EMI ， 支持高效回收能源 ， 最大限度地减少热量产生 ， 效率高达94% 。
iW780 USB PD3.1协议IC一个高度灵活和可编程的AC/DC接口控制器 ， 支持USB供电（PD）3.1和多个D+/D-协议 ， 并且这款IC将协议支持、次级侧调节控制和USB Type-C断开FET控制器集成在一起 ， 用于单端口和多端口充电适配器设计 。
iW676数字同步整流器可与瑞萨电子的多个初级侧控制器配合使用 ， 采用专有的数字自适应关断控制技术 ， 用MOSFET取代次级侧并联肖特基二极管 ， 以实现高功率密度和低成本 。 iW676比其替代的二极管更高效 ， 也比传统的同步整流器更高效 。 该器件还可结合瑞萨电子独特的有源电压定位（AVP）控制 ， 实现整个旅行适配器的超快速动态负载响应（DLR）和低至20mW的空载功耗 ， 无需添加引脚或外部组件 。
R2A20132SP控制两个升压转换器 ， 以提供主动功率因数校正 。 其交错功能通过180度相移来改善输入或输出电容器上的波纹电流 。 反馈回路开路检测、过流保护内置于R2A20132SP中 ， 可以构成一个具有很少外部部件的高可靠性电源系统 。
240W USB Type-C电池系统参考设计在240W USB Type-C电池系统参考设计方案里 ， 主要用到了RAA489300 48V 3-Level Buck (预降压) ， RAA489118 28V 2～7S数字双向升降压电池充电IC ， 'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC) ， R9A02G0151 USB PD3.1 ERP Type-C Port Manager (TCPM) 。
当前 ， 瑞萨电子官网供应的是RAA489301 ， 这是一款3电平降压电压控制器 ， 可在VOUT < VIN/2、VOUT = VIN/2和VOUT > VIN/2之间提供无缝转换 。 RAA489301支持USB PD适配器 ， 可安全地将其转换为高达24V的稳压输出电压 。
目前 ， 瑞萨电子官方并不提供RAA489118的相关资料 ， 不过从RAA489110的介绍信息来看 ， RAA489118也将采用瑞萨电子R3技术 ， 这是一种高效的充电模式 。 'Zanpa' USB PD3.1 EPR 48V Type-C Port Controller (TCPC）也是一种降压-升压电池充电器 。
R9A02G015 是一款基于MCU的Type-C端口管理器 (TCPM) ， 它是通用串行总线 (USB) 供电 (PD) 系统的重要组成部分 。 R9A02G015实现了TCPM–USB PD策略引擎功能 ， 符合USB PD 3.1规范 。
电池电量计评估模块在电池电量计评估模块里主要用到了RAJ240100 2～10S电池电量计 (Fuel Gauge) IC 。 RAJ240100包括单个封装的MCU器件和AFE器件各一个 。 这些器件具备多种电池管理功能 ， 搭载瑞萨电子RL78 CPU内核 ， 该内核具有多种低功耗模式 ， 可在超低功耗运行中发挥高性能 。 RAJ240100支持多达10个串联的锂离子或锂聚合物电池 。
除了上述这些器件 ， 在瑞萨电子的USB功率传输系列里还包括ISL95338双向降压电压调节器、ISL9241降压-升压可配置电池充电器等 。 瑞萨电子工作人员表示 ， USB功率传输系列方面 ， 瑞萨电子是当前市场上为数不多能够提供全套解决方案的公司 。 USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计可用于电动助力车、吸尘器、PD充电器等市场 。
结语USB PD技术的应用范围非常广泛 。 除了手机、平板等移动设备之外 ， 它还可以用于笔记本电脑、显示器等大功率设备的充电 。 随着消费者对充电效率的要求越来越高 ， 瑞萨电子USB PD3.1 EPR 240W全范围电压参考设计给出了一个很好的升级方向 ， 并且得益于GaN功率器件的使用 ， 这个参考设计的体型并不大 ， 具有很好的便携性 。

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