高性能数字化电源芯片的新标尺——InnoSwitch4-Pro

电源适配器不断提升的快充性能，已经成为各大品牌手机的性能亮点，不断提升的性能背后是支持手机快充的电源适配器芯片的不断创新。

PI最新推出的InnoSwitch4-Pro就是高性能数字化电源芯片的新标尺。从InnoSwitch3-Pro，到InnoSwitch4-CZ再到InnoSwitch4-Pro，可实现的最高输出功率从100W提升到220W，其漏极峰值极限电流也从14A增加到26A，最大次级开关频率从145kHZ提升到了194kHz。

InnoSwitch4-Pro延续了InnoSwitch4-CZ的众多优点，集成一系列最新创新技术，引入具有多种智能保护功能的架构革新的控制引擎，更加拓展了对外部电路的适应性。在物料尺寸保持不变的情况下，输出功率不断突破极限，InnoSwitch4-Pro的最大输出功率已经可以达到220W，为手机、平板电脑以及笔记本适配器市场带来更好的高效、小型化且设计简单的新体验。以常用的笔记本电脑为例，供电功率在145W~200W之间，采用InnoSwitch4-Pro可以实现更小巧的便携电源适配器的设计。

从工程师角度来看，InnoSwitch4-Pro采用氮化镓PowiGaN技术、集成I2C接口的数字控制器，支持多种USB-PD协议。再配合MinE-CAP缩减电容尺寸的技术以及ClampZero有源钳位技术，可以让工程师做到完美巧妙地实现性能和成本的平衡。不仅能够满足更高的技术参数要求，还能降低系统综合成本。

PI最令人印象深刻的是PowiGaN优异的性能参数和高度的智能化控制引擎。以InnoSwith4-Pro INN4677F为例，在标准环境温度下的导通电阻最小可达0.145 欧姆，测试条件下漏极电容小于10pF。这样的参数可以支持最高140 kHz的开关频率，最大26A的峰值漏极电流。这样可以在电源适配器中使用更小尺寸的变压器，进而减轻电源重量，缩小电源尺寸。而非对称驱动方式有源钳位技术的采用可以保证电源在连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)均可实现零电压开关（ZVS），降低了开关损耗，最终整体电源可以实现超过95%的转换效率。在电源适配器的设计中，功率电子元件高速通断下的导通损耗是设计中热管理的核心。当采用了导通电阻很低的氮化镓开关后，可以大幅减小导通损耗，进而最大程度地减小了元件所需耗散的热量。在使用PCB板散热的条件下，损耗的降低得以保证IC在利用本体散热的情况下输出更大的额定输出功率。同时也降低了设计中对散热片、导热材料的使用要求。这些综合措施，使得采用InnoSwitch4-Pro 的电源适配器能够在保持高性能的情况下做得更小巧、更耐用。良好的设计甚至可以实现安全不使用散热片的产品。

PIInnoSwith4-Pro的另外一个特征就是高度集成的创新数字可编程控制引擎。InnoSwitch4-Pro系列产品在一次侧集成了最高耐压达750V的PowiGaN开关以及驱动器，通过满足隔离要求的内置的磁感耦合反馈机制，将初级侧和次级侧的控制器链接起来（如下图）。次级侧的智能控制器通过I2C接口与外部的微控制器连接，可以实现丰富的控制功能。满足USB-PD以及其它各种私有协议，同时也可满足即将推出的中国通信标准化协会的UFCS融合快充协议。

InnoSwitch4-Pro是一款支持数字控制的离线恒压/恒流零电压开关(ZVS)反激式IC。与ClampZero芯片搭配可以实现有源钳位反激设计。通过I2C总线与外部的微处理器通信，可以进行精准的电压电流控制与设定，提供高精度的恒压/恒流输出。可实现10mV或者30mA档位的电压和电流精准调整。具有更全面的故障监测及功能设置，包括过温保护、过电压保护、故障情况下的自动重启动、输入欠压/过压监测、高压侧驱动延时设置、变频软起动模式设置、零电压开关优化设置、连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)设置等。这些灵活的设定方式适配更多的电路形式，进而满足不同应用的特殊需求。这些完备的智能化，安全控制措施，完全集成在InnoSwitch4-Pro内，工程师可以按照PI提供的用户手册，通过I2C总线对相应的寄存器加以访问设定，实现所需的具体规格及定制化的保护特性。

为充分发挥InnoSwitch4-Pro的智能化潜力，方便工程师快速设计满足市场需求的电源适配器，PI还在官网提供了编号为DER-960开源设计范例。以InnoSwitch4-Pro芯片INN4375F为核心，配合ClampZero芯片CPZ1075M以及功率因数校正芯片PFS5274，再加上英集芯公司的USB Type-C PD协议控制器IP2726S，实现了100W输出功率的 USB PD 3.0适配器设计。这个设计以InnoSwitch4-Pro INN4375F为核心的反激变换部分的电路图如下图。

输入电压范围为90~ 265 VAC。固定输出PDO包括5V / 5A、9V / 5A、12V / 5A、15V / 5A、20V / 5A；动态输出范围包括3.3V~21V / 5A (最大100 W)。这个设计方案的功率密度可达16.1W / in?，不含外壳的尺寸大小为3.42”x 2.04”x 0.89”。如下图。

方案中的USB PD协议控制芯片为英集芯公司的IP2726S，实现了PD3.1的协议，如下图。快充自动监测为快充PD3.1协议，支持PPS精细调压，最大输出功率63W。这个DER-960的硬件设计是最大可以支持100W的输出功率，快充检测器监测到微控制器芯片控制下，所实现的功能最大可以达到63W，这个数值可以通过为微控制器的指令安全的实现。高达140kHz的开关频率，使得输出的纹波系数非常小，VPP可以低至28mV。

范例设计DER-960在空间设计上比较分散，便于工程师量测评估整体方案特性。如果以这个方案为蓝本，结合智能控制器的参数匹配可以实现多样的定制化的其它设计。如下图，在物料上做了优化，充分利用空间结构，加强散热，可以实现如下更贴近实际商业化产品的范例设计方案。

在优化设计方案中，使用了更大输出功率的InnoSwitch4-Pro芯片，无外壳工况下额定功率可达125W，PFC芯片额定输出功率可达165W。设计中增加了散热片和散热填充剂以适应安装在密封外壳内的125W额定功率要求。考虑到空间和成本，这个设计中并未采用有源钳位版本的InnoSwitch4-Pro IC，而仅使用波谷开通的准谐振方式来降低初级开关的开通损耗。

对比DER-960设计方案的元件选择变化如下，

这样就实现了更高集成度的设计，如下图所示。把DER-960（右侧，最大输出功率100W）、基于DER-960的优化设计（左下，最大输出功率125W）、苹果手机标准充电适配器（左上，输出功率5W）放在一起对比，高功率输出的InnoSwitch4-Pro方案，其尺寸精简效果一目了然。

采用快充电压电流监测仪测试如下图，同样监测出该设计支持快充协议，可以实现PPS调压。经过优化以后的纹波系数表现更好。

经检测，在这个快充芯片支持下，可以实现的5V，9V，12V，15V，20V的逐档充电电压调整，其中模式6还支持3.3~21V的分步电压调整，最大可以支持3A的额定电流。实际的输出电流是由充电负载决定的，在充电负载可以承受时，可以支持的最大电流应该可以达到5A，达到100W的输出功率。

专注于电源适配器技术创新的PI在InnoSwitch4-Pro中，将PI多项技术进行高集成度整合，并采取吸纳了多项产品的优势，同时提供了成熟的参考设计，助力设计者快速开发，提供可以满足最终用户信赖的新产品。同时，更广泛技术运用的发展前景尤其值得期待。需要强调的是，PI是目前唯一一家在功率器件当中集成了数字控制电路的半导体厂商。使得智能化、数字化电源的集成度达到了新高，为功率变换行业IC的研发树立了新的标杆。

审核编辑 ：李倩