[기고] EZ-PD™ PAG1 시리즈를 적용한 USB-PD 솔루션으로 빠른 충전 설계의 장벽을 극복하기
  • 2021-04-06
  • 글 / Gautam Chinagundi, Rashed Ahmed, 인피니언 테크놀로지스


복잡성 및 비호환성 문제를 해결하고 빠른 시장 진입을 위한 솔루션을 소개한다. 광범위한 고성능 및 고품질 USB-PD 솔루션 포트폴리오를 갖춘 인피니언은 엔지니어가 경쟁력 있는 비용으로 빠른 충전 설계의 장벽을 극복하도록 지원한다.

짧은 시간 내에 장치를 충전해야 하는 필요성이 소비자 전원 어댑터 시장을 급속 충전 어댑터로 이끌고 있습니다. 한편, 이러한 어댑터가 제공하는 전력은 증가하는 반면, 사용자 환경을 개선하여 더 높은 전력 설계를 구축하기 위한 크기는 점점 작아지고 있습니다.



시장에는 보다 우수하고 안전하기 위해 발전하고 지속적으로 업그레이드되는 다수의 급속 충전 표준이 있습니다. 이처럼 증가하는 고전력 고속 충전 어댑터에 대한 수요를 해결하기 위해 인피니언은 통합된 USB 전력 공급(PD) 컨트롤러를 갖춘 완벽한 AC-DC 전원 솔루션인 PAG1 솔루션을 제공합니다.

PAG1P(일차측 스타트업 컨트롤러)와 PAG1S(단일 칩 이차측 컨트롤러)로 구성된 2칩 USB-C 전원 어댑터 솔루션입니다. PAG1P와 PAG1S는 2차측 제어 플라이백 아키텍처에서 함께 작동합니다. PAG1P는 스타트업 기능을 제공하고, 기본 FET를 구동하며, 결함 조건에 대응합니다. PAG1S는 동기식 정류 컨트롤러, PD 컨트롤러, PWM 컨트롤러, 30V 레귤레이터, 고전압 NFET 게이트 드라이버 및 보호 회로를 통합한 단일 칩 이차측 컨트롤러입니다



일반적으로 SMPS는 전압 레귤레이터로 작동합니다. 즉, 출력에서 전원 단계를 제어하려면 피드백 링크가 필요합니다. 컨트롤 루프는 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 PWM 신호를 생성하여 기본 스위치를 구동하는 방식으로 출력 전압을 조절합니다. 일반적으로 사용되는 1차 측 제어 아키텍처에서 광커플러(Optocoupler)는 2차 측으로부터 1차 제어기로 오류 신호를 전송하는 피드백 링크로 사용됩니다. 그러나 이러한 구조에는 한계가 있습니다.

첫째, 광커플러(Optocoupler)는 루프 대역폭이 제한되어 있습니다. 따라서 피드백 루프에서 이러한 기능을 사용하면 동적 로드 응답을 빠르게 달성하기가 어렵고 가변 출력 전압에서 더 높은 게인/위상을 유지하기 어렵우며. 또한 루프 대역폭과 이득은 시간이 지남에 따라 저하됩니다.

둘째, 모든 출력 관련 기능은 차단 장벽을 통해 PWM 컨트롤러에 전달되어야 합니다. 이렇게 하면 지연 시간이 증가하므로 PWM 컨트롤러를 조정하는 데 필요한 후속 시간이 늘어납니다. 출력 관련 기능은 출력 전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 저전압 보호(UVP), 부하 공유, 동기식 정류기 구동 등의 원인으로 작용할 수 있습니다.



일차측 제어 아키텍처의 단점을 극복하기 위해 인피니언은 2차측 제어 아키텍처를 사용하는 PAG1 솔루션을 제공합니다. 이 설계에서 이 레귤레이션은 PAG1S의 2차측에서 발생하며 일차측 스타트업 컨트롤러(PAG1P)는 간단한 게이트 드라이버 역할을 합니다. 이 콤보 (PAG1P+PAGS)는 펄스 변환기를 사용하여 1차 측과 2차 측 사이의 분리를 달성합니다.

변환기의 주요인은 제어 루프를 더 빠르게 만드는 출력 전압 조절과 관련된 모든 결정이 이루어지는 2차측(PAG1S)에 위치합니다. 또한, 이 아키텍처는 2차측의 오작동에 대한 즉각적인 반응을 가능하게 하여 시스템을 더욱 견고하게 만듭니다. 광커플러(Optocoupler)를 사용하지 않음으로써 시스템 동작은 작동 지점, 온도 및 제품 수명을 유닛마다 더 일관되고 예측 가능하도록 합니다.



또한 2차측 제어 아키텍처는 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하는 방식으로 SR FET를 직접 제어할 수 있게 합니다. 제로 전압 스위칭(ZVS)은 별도의 회로를 사용하지 않고도 기존 변환기에서 더 높은 효율성을 가능하게 합니다. 더 높은 루프 대역폭과 더 빠른 동적 응답 시간을 지원할 수 있는 기능을 갖춘 2차측 제어 아키텍처는 더 높은 스위칭 주파수를 지원하는 데 가장 적합하며 따라서 더 높은 전력 밀도 설계를 가능하게 합니다.

2차측 제어 아키텍처의 한 가지 담점은 추가 전원 공급 장치를 사용하여 회로를 점프 시동하는 초기 전원 공급입니다. PAG1P로 이 문제를 해결했습니다. PAG1P(1차측 스타트업 컨트롤러)는 시작 중 2차측 전원을 켜는 데 도움이 됩니다. 시스템이 정상 작동 상태에 도달하면 컨트롤을 2차측으로 넘기고 보호 회로(OVP, UVP 및 OCP)를 사용하는 1차측 게이트 드라이버로만 작동합니다.

PAG1S는 프로그래밍이 가능한 제품으로 전원 어댑터 설계에 있어 뛰어난 유연성을 제공합니다. 사용자는 변환기가 라인/로드 간에 전환되는 QR 밸리를 조정할 수 있으므로 외부 하드웨어 구성 요소를 변경하지 않고도 시스템 효율성을 최적화할 수 있습니다. EZ-PD™ 구성 유틸리티도구를 사용하면 하드웨어를 변경하지 않고도 보드 설계로 인해 나타나는 변화를 고려하여 현재 감지 저항기의 값을 쉽게 미세 조정할 수 있습니다.

또한 이 유틸리티도구는 과전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 단락 보호(SCP) 및 과열 보호(OTP)를 위한 장애 보호 임계값 및 복구 메커니즘을 유연하게 구성할 수 있습니다. 또한 PAG1S를 현장에서 다시 프로그래밍하여 최신 USB-CPD 표준을 충족하거나 새로 발견된 전원 어댑터 제품의 버그를 해결할 수 있습니다.

짧은 충전 시간에 대한 수요가 증가함에 따라 시장에서는 적응형 급속충전(AFC), 퀵차지(QC), 애플 2.4A 충전, 화웨이 FCP/SCP, USB-C PD 등 복수의 급속 충전 표준이 나왔습니다. 따라서 제조업체는 동일한 장치에서 여러 프로토콜을 지원할 수 있다면 경쟁력을 보유하게 될 것입니다. PAG1 솔루션이 이러한 제품으로 추가 BOM(Bill of Material) 비용 없이 동일한 장치에서 AFC, QC4+, QC4, QC3, Apple 2.4 충전 및 BC1.2를 지원합니다. 또한, PAG1은 펌웨어 개발 및 compliance 를 지원하는 인피니언을 통해 고객이 정의한 기타 독점 프로토콜을 구현할 수 있도록 충분한 내부 플래시 메모리를 제공합니다.

시장으로의 출시 기간을 단축하고 개발 비용을 절감하기 위해 전력 레벨에 따른 여러 PAG1 기반 참조 설계를 이용할수 있습니다.
이 PAG1 기반 참조 설계는 경쟁력 있는 폼 팩터로 제공되며 DoE Level VI, CoC Tier 2, USB-CPD 및 CISPR 32 Class B에서 정의한 표준에 따라 테스트 되어졌습니다. 검증 보고서와 함께 참조 설계에 대한 자세한 내용은 https://www.cypress.com/products/usb-type-c-and-power-delivery에서 확인할 수 있습니다.

자세한 참조 설계, 게시판 및 설계 지원 문서를 보려면 www.infineon.com/usb-pd 사이트를 방문하십시오.

싸이프러스는 인피니온 테크놀로지스 컴퍼니라는 점에 유의하십시오. 이 기사에는 이 제품을 개발했던 싸이프러스 웹 페이지에 대한 참조가 포함되어 있습니다. 싸이프러스를 인수한 인피니온은 인피니온 제품 포트폴리오의 일부로 신규 및 기존 고객에게 이 제품을 계속 제공할 것입니다.

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