快充功率變換市場的增長持續給設計工程師帶來新的挑戰。其一是產品各種要求的相互制約，市場不但要求輸出功率不斷增大，體積更小，還要求有更低的系統成本；其二是新市場推動進一步增長，隨著GaN技術的推出和各種控制方式的加入，每年USB-PD控制器IC的發貨量都在逐年增加，快充功率變換產品的主要市場將由手機充電器領域拓展到筆記本適配器、家電和智能家居領域；其三是標準快充協議日益多樣化，比如歐盟和北美有USB PD、PPS3.1，中國有UFCS，還有一些專有的標準，包括VOOC、VFC、SCP。而市面上很難有一套方案能夠滿足上述所有需求。為應對此類挑戰，Power Integrations（PI）適時推出InnoSwitch5-Pro反激式開關IC，它的突出特征就是高效、先進的可編程性以及極低的元件數目。

InnoSwitch5-Pro的主功率開關采用PowiGaN技術，以及PI獨有的變頻的開-關控制方式和零電壓開關(ZVS)，可以使效率超過95%。同時它具有I2C接口的次級控制器，適用于任何微控制器，支持USB-PD 3.1、UFCS及其他專有協議。InnoSwitch5-Pro IC可提供功率開關及其驅動器、初級側控制器、同步整流驅動、FluxLink?（磁感耦合）通訊–無需光耦器、全面的保護、遙測報告功能。應用領域包括筆記本電腦、高端手機和其他便攜式消費電子產品，包括要求支持新的USB PD EPR（擴展功率范圍）協議的設計。InnoSwitch5-Pro專有的InSOP-28D封裝提供更好的隔離功能，且具有更寬的爬電距離。

如何實現超高的效率和精確的可編程性？

因為反激式變換器中，初級功率開關在開通期間效率低下，表現在開通時開關兩端電壓很高；開通期間，隨著電壓的下降和流過開關管的電流上升；同時存在的電流和電壓交疊的區域造成了開關損耗。而我們為了實現超高效率，最好是能夠通過合理的控制方式將初級主功率開關管的開通損耗加以降低，這就是我們經常聽說的一種叫做“零電壓”開關的軟開關技術。亦即利用一定的能量，在開關管執行開通動作之前將其兩端的高壓泄放至零，之后，再由控制電路給開關管柵極提供開通控制信號。這樣就可以實現降低開關損耗的目的。目前，市場上常見的ACF有源鉗位就是利用另一個高壓功率開關管執行主功率開關管的VDS電壓泄放的零電壓開關解決方案。但這種額外增加高壓功率管的方法不但增加了電源整體成本，增加了方案的元件數目，不利于高功率密度、小體積的設計，而且控制器要管理三個開關管（鉗位管、主功率管、同步整流管）的控制時序也更加復雜，難以實現效率最大化。

PI公司這次發布的InnoSwitch5-Pro新品不使用初級側高壓的鉗位功率開關管，而是通過利用次級側輸出電容的儲能，通過次級SR開關的控制，實現初級側主功率開關管的ZVS操作。這種方法大大簡化了系統成本，減少了元件數目，也使得電源保障高效工作的同時，進一步可以實現小型化的設計。這款IC的主功率開關管采用的是750V或900V耐壓的氮化鎵開關，最大輸出功率可以達到200W以上。而通過I2C接口實現的可編程定制化的同步整流-零電壓開關（SR-ZVS）的控制方式，使得設計師對其電源特性的靈活調整成為可能。與傳統的單級有源鉗位反激方案相比，可以節省一個高壓功率開關管及相應的高側驅動電平移位IC。這樣一來，只用一個功率IC即實現了分立方案中幾個IC才能實現的功能。對于分立方案來講，往往需要初級側主功率開關控制IC、初級側驅動電平移動IC、次級側同步整流控制IC，而且還需要多使用一個鉗位功率開關管。因此，采用了InnoSwitch5-Pro后，電路更簡潔、效率更高、成本也更低了。

PI資深技術培訓經理Jason Yan解釋SR-ZVS控制方式時說道：“我們IC的控制方式是一種數字反饋的控制方式，是以次級側控制器作為主控制器的。它同時控制初級和次級兩個開關管的開關時序。當需要開通初級開關管時，次級控制器先將次級的SR整流開關管開通一小段時間。此時，次級(SR)側輸出電容的儲能對變壓器進行勵磁，然后當SR整理管關斷后，初級側的續流電流即可將初級主功率開關管兩端的電壓泄放至零，此時次級主控制器再發出開通初級管的控制指令，進而實現了主功率管的零電壓開通。”

值得一提的是，InnoSwitch5-Pro同樣繼承了InnoSwitch系列在初級側和次級側之間利用FluxLink（磁感耦合）的技術。而且次級側具有無損耗的輸入電壓檢測功能，可進行自適應的DCM/CCM和ZVS控制，從而在整個輸入電壓和負載范圍內提高效率并簡化設計。電源設計工程師可以根據其具體的輸入電壓情況、輸出電壓高低及負載狀態，自行選擇其ZVS工作的各項時序參數，包括SR FET的導通時間及SR FET關斷后至發出開通指令之間的延遲時間，這樣客戶就可以根據不同的工況進行ZVS操作的優化。具體來說，設計者可以在MCU的軟件中對各工況下的ZVS開關參數事先進行編程設定，然后將包含各項控制參數的軟件寫入外部MCU當中。而當電源工作期間，InnoSwitch5-Pro IC會經由I2C接口與MCU進行通訊，根據具體工況選擇對應的ZVS設定參數進行ZVS操作。從而實現電源效率的最佳表現。再者，由于I2C接口只是執行MCU的命令，根據其指令輸出負載所需要的電流、電壓數值，所以不依賴于某一個充電協議。因此該方案適用于任何快充協議。另外，這種數字控制方式使得控制器本身功耗很低，即使IC在給外部MCU供電的情況下，InnoSwitch5-Pro方案仍然可以把空載功耗做到小于30mW。目前，此方案的輸出電壓可以從3V調整到30V，滿足USB PD3.1中28V輸出規格的應用，并且電壓可以以10mV每檔的步長來進行微調，電流可以做到2%的恒流精度，滿足USB PD3.1 AVS和UFCS的快充標準要求。該方案采用ZVS及QR自動切換的控制技術，整體系統效率極高，可超過95%，使設計人員能夠省去熱管理所需的散熱片、導熱片和灌封材料，從而進一步減小尺寸，降低元件成本和制造復雜性。

零電壓開關(ZVS)極其高效，即使與準諧振（QR）開關方式相比，效率也能提升0.6%-1%。

可編程故障響應如何及時地對故障做出快速響應？

想要對故障做出快速響應，首先要保證發送指令的MCU能夠穩定工作。InnoSwitch5-Pro可以通過μVCC引腳為MCU提供穩定的3.6V輸出供電的同時，處理來自MCU的各項指令。

其次，MCU的所有遙測報告，比如系統狀態、工作模式、故障中斷，都可以通過數據線傳到負載端。反過來，負載端的需求也會通過數據線傳遞給MCU，MCU再通過I2C接口（時鐘信號線SCL和數據傳輸線SDA）來控制功率器件達到相應的電壓、電流，最后輸送到負載端的電壓和電流組合即為負載端指令所要求的輸出規格。這是一個閉環的過程。

最后，利用I2C接口，還可以對功率IC的輸出過壓閾值、輸出欠壓閾值、電流、響應時間、啟動時的輸出過壓保護點、輸出欠壓保護點以及6種保護模式進行編程設定。另外，故障響應方式的可編程性還可以降低I2C 接口的通訊流量，而故障發生時也會被自行記錄下來。這樣做出來的電源應該說更加智能化，具有更強大的特性功能。

“因為現在電源智能化了，所以硬件端發生了任何故障，都可以通過軟件的方式來匯報給負載端，通過報告電源的工作狀態和故障情況等遙測報告，讓手機、平板等負載端更智能地去做出判斷和反應”，Jason Yan解釋說：“對于供電端的電源來說，你負載要什么我就給你什么。我出現了故障，也會告訴你，這個就是InnoSwitch5-Pro這種精確可編程電源帶來的好處。可以毫不夸張的說，這種“聰明”的電源使用起來更加安全可靠。”

InnoSwitch5-Pro對USB充電來講，功率更高、效率更高、控制能力更強。InnoSwitch5-Pro具有InnoSwitch技術的優勢，I2C確保實現出色的控制，兼容任何微控制器，支持所有的快充協議。無需額外高壓功率元件即可實現ZVS，達到高效率；PowiGaN的初級開關，有適用于印度市場的900V開關選項。輸出功率高達 220W，支持筆記本以及電動工具充電器的快充應用。

Jason Yan同時還展示了一款140W/28V的USB PD適配器，包含有源PFC（HiperPFS?-5）的前級變換和ZVS反激式（InnoSwitch5-Pro）的二級變換。該設計示例僅使用106個元件，體積只有4.2立方英寸（約68.8立方厘米），大幅減少了元件數目和子板數目，大大減小了生產期間的裝配等工時費用。其140W時的效率在95%以上，在90W時的效率仍接近94%。

對于此次發布的新品，Power Integrations高級產品營銷經理Adnaan Lokhandwala表示：“ZVS與GaN（氮化鎵）相結合，能為電源注入神奇的魔力。開關損耗幾乎為零，并且我們可以利用GaN的低導通損耗來實現超緊密的適配器布局，其元件數量遠少于非對稱半橋(AHB)電路或有源鉗位方案。InnoSwitch5-Pro IC采用的反激式拓撲相對于AHB從電路上更加容易實現，并且在通用輸入電壓下無論是否使用PFC級均可正常工作。”