InnoSwitch5-Pro时代，颠覆性的新技术是什么？

快充功率变换市场的增长持续给设计工程师带来新的挑战。其一是产品各种要求的相互制约，市场不但要求输出功率不断增大，体积更小，还要求有更低的系统成本；其二是新市场推动进一步增长，随着GaN技术的推出和各种控制方式的加入，每年USB-PD控制器IC的发货量都在逐年增加，快充功率变换产品的主要市场将由手机充电器领域拓展到笔记本适配器、家电和智能家居领域；其三是标准快充协议日益多样化，比如欧盟和北美有USB PD、PPS3.1，中国有UFCS，还有一些专有的标准，包括VOOC、VFC、SCP。而市面上很难有一套方案能够满足上述所有需求。为应对此类挑战，Power Integrations（PI）适时推出InnoSwitch5-Pro反激式开关IC，它的突出特征就是高效、先进的可编程性以及极低的元件数目。

InnoSwitch5-Pro的主功率开关采用PowiGaN技术，以及PI独有的变频的开-关控制方式和零电压开关(ZVS)，可以使效率超过95%。同时它具有I²C接口的次级控制器，适用于任何微控制器，支持USB-PD 3.1、UFCS及其他专有协议。InnoSwitch5-Pro IC可提供功率开关及其驱动器、初级侧控制器、同步整流驱动、FluxLink™（磁感耦合）通讯–无需光耦器、全面的保护、遥测报告功能。应用领域包括笔记本电脑、高端手机和其他便携式消费电子产品，包括要求支持新的USB PD EPR（扩展功率范围）协议的设计。InnoSwitch5-Pro专有的InSOP-28D封装提供更好的隔离功能，且具有更宽的爬电距离。

如何实现超高的效率和精确的可编程性？

因为反激式变换器中，初级功率开关在开通期间效率低下，表现在开通时开关两端电压很高；开通期间，随着电压的下降和流过开关管的电流上升；同时存在的电流和电压交叠的区域造成了开关损耗。而我们为了实现超高效率，最好是能够通过合理的控制方式将初级主功率开关管的开通损耗加以降低，这就是我们经常听说的一种叫做“零电压”开关的软开关技术。亦即利用一定的能量，在开关管执行开通动作之前将其两端的高压泄放至零，之后，再由控制电路给开关管栅极提供开通控制信号。这样就可以实现降低开关损耗的目的。目前，市场上常见的ACF有源钳位就是利用另一个高压功率开关管执行主功率开关管的VDS电压泄放的零电压开关解决方案。但这种额外增加高压功率管的方法不但增加了电源整体成本，增加了方案的元件数目，不利于高功率密度、小体积的设计，而且控制器要管理三个开关管（钳位管、主功率管、同步整流管）的控制时序也更加复杂，难以实现效率最大化。

PI公司这次发布的InnoSwitch5-Pro新品不使用初级侧高压的钳位功率开关管，而是通过利用次级侧输出电容的储能，通过次级SR开关的控制，实现初级侧主功率开关管的ZVS操作。这种方法大大简化了系统成本，减少了元件数目，也使得电源保障高效工作的同时，进一步可以实现小型化的设计。这款IC的主功率开关管采用的是750V或900V耐压的氮化镓开关，最大输出功率可以达到200W以上。而通过I2C接口实现的可编程定制化的同步整流-零电压开关（SR-ZVS）的控制方式，使得设计师对其电源特性的灵活调整成为可能。与传统的单级有源钳位反激方案相比，可以节省一个高压功率开关管及相应的高侧驱动电平移位IC。这样一来，只用一个功率IC即实现了分立方案中几个IC才能实现的功能。对于分立方案来讲，往往需要初级侧主功率开关控制IC、初级侧驱动电平移动IC、次级侧同步整流控制IC，而且还需要多使用一个钳位功率开关管。因此，采用了InnoSwitch5-Pro后，电路更简洁、效率更高、成本也更低了。

PI资深技术培训经理Jason Yan解释SR-ZVS控制方式时说道：“我们IC的控制方式是一种数字反馈的控制方式，是以次级侧控制器作为主控制器的。它同时控制初级和次级两个开关管的开关时序。当需要开通初级开关管时，次级控制器先将次级的SR整流开关管开通一小段时间。此时，次级(SR)侧输出电容的储能对变压器进行励磁，然后当SR整理管关断后，初级侧的续流电流即可将初级主功率开关管两端的电压泄放至零，此时次级主控制器再发出开通初级管的控制指令，进而实现了主功率管的零电压开通。”

值得一提的是，InnoSwitch5-Pro同样继承了InnoSwitch系列在初级侧和次级侧之间利用FluxLink（磁感耦合）的技术。而且次级侧具有无损耗的输入电压检测功能，可进行自适应的DCM/CCM和ZVS控制，从而在整个输入电压和负载范围内提高效率并简化设计。电源设计工程师可以根据其具体的输入电压情况、输出电压高低及负载状态，自行选择其ZVS工作的各项时序参数，包括SR FET的导通时间及SR FET关断后至发出开通指令之间的延迟时间，这样客户就可以根据不同的工况进行ZVS操作的优化。具体来说，设计者可以在MCU的软件中对各工况下的ZVS开关参数事先进行编程设定，然后将包含各项控制参数的软件写入外部MCU当中。而当电源工作期间，InnoSwitch5-Pro IC会经由I²C接口与MCU进行通讯，根据具体工况选择对应的ZVS设定参数进行ZVS操作。从而实现电源效率的最佳表现。再者，由于I²C接口只是执行MCU的命令，根据其指令输出负载所需要的电流、电压数值，所以不依赖于某一个充电协议。因此该方案适用于任何快充协议。另外，这种数字控制方式使得控制器本身功耗很低，即使IC在给外部MCU供电的情况下，InnoSwitch5-Pro方案仍然可以把空载功耗做到小于30mW。目前，此方案的输出电压可以从3V调整到30V，满足USB PD3.1中28V输出规格的应用，并且电压可以以10mV每档的步长来进行微调，电流可以做到2%的恒流精度，满足USB PD3.1 AVS和UFCS的快充标准要求。该方案采用ZVS及QR自动切换的控制技术，整体系统效率极高，可超过95%，使设计人员能够省去热管理所需的散热片、导热片和灌封材料，从而进一步减小尺寸，降低元件成本和制造复杂性。

零电压开关(ZVS)极其高效，即使与准谐振（QR）开关方式相比，效率也能提升0.6%-1%。

可编程故障响应如何及时地对故障做出快速响应？

想要对故障做出快速响应，首先要保证发送指令的MCU能够稳定工作。InnoSwitch5-Pro可以通过μVCC引脚为MCU提供稳定的3.6V输出供电的同时，处理来自MCU的各项指令。

其次，MCU的所有遥测报告，比如系统状态、工作模式、故障中断，都可以通过数据线传到负载端。反过来，负载端的需求也会通过数据线传递给MCU，MCU再通过I²C接口（时钟信号线SCL和数据传输线SDA）来控制功率器件达到相应的电压、电流，最后输送到负载端的电压和电流组合即为负载端指令所要求的输出规格。这是一个闭环的过程。

最后，利用I²C接口，还可以对功率IC的输出过压阈值、输出欠压阈值、电流、响应时间、启动时的输出过压保护点、输出欠压保护点以及6种保护模式进行编程设定。另外，故障响应方式的可编程性还可以降低I²C 接口的通讯流量，而故障发生时也会被自行记录下来。这样做出来的电源应该说更加智能化，具有更强大的特性功能。

“因为现在电源智能化了，所以硬件端发生了任何故障，都可以通过软件的方式来汇报给负载端，通过报告电源的工作状态和故障情况等遥测报告，让手机、平板等负载端更智能地去做出判断和反应”，Jason Yan解释说：“对于供电端的电源来说，你负载要什么我就给你什么。我出现了故障，也会告诉你，这个就是InnoSwitch5-Pro这种精确可编程电源带来的好处。可以毫不夸张的说，这种“聪明”的电源使用起来更加安全可靠。”

InnoSwitch5-Pro对USB充电来讲，功率更高、效率更高、控制能力更强。InnoSwitch5-Pro具有InnoSwitch技术的优势，I²C确保实现出色的控制，兼容任何微控制器，支持所有的快充协议。无需额外高压功率元件即可实现ZVS，达到高效率；PowiGaN的初级开关，有适用于印度市场的900V开关选项。输出功率高达 220W，支持笔记本以及电动工具充电器的快充应用。

Jason Yan同时还展示了一款140W/28V的USB PD适配器，包含有源PFC（HiperPFS™-5）的前级变换和ZVS反激式（InnoSwitch5-Pro）的二级变换。该设计示例仅使用106个元件，体积只有4.2立方英寸（约68.8立方厘米），大幅减少了元件数目和子板数目，大大减小了生产期间的装配等工时费用。其140W时的效率在95%以上，在90W时的效率仍接近94%。

对于此次发布的新品，Power Integrations高级产品营销经理Adnaan Lokhandwala表示：“ZVS与GaN（氮化镓）相结合，能为电源注入神奇的魔力。开关损耗几乎为零，并且我们可以利用GaN的低导通损耗来实现超紧密的适配器布局，其元件数量远少于非对称半桥(AHB)电路或有源钳位方案。InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓扑相对于AHB从电路上更加容易实现，并且在通用输入电压下无论是否使用PFC级均可正常工作。”