什么是USB PD（USB Power Delivery）？～设计课题与最佳电容器选定～

什么是USB PD（USB Power Delivery）？
～设计课题与最佳电容器选定～

2024-10-25

支持USB PD的设计课题
1. AC/DC转换器
2. DC/DC转换器
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在上一篇文章中，我们介绍了USB PD规格的概要以及以及今后市场扩展的潜力。在本文中，我们将聚焦USB PD的电源电路设计，详细解说其中应予考虑的要点以及最佳电容器的选定方法。

1. 支持USB PD的设计课题

接下来，我们将聚焦USB PD的电源电路设计，阐述其中应予考虑的课题以及电容器所做的贡献。要使USB PD发挥作用，需要配备能够从商用电源向各设备灵活供电的AC/DC转换器，以及能够处理接收该电能或向其他设备供电的DC/DC转换器。下面，我们将分别进行介绍。

1-1. AC/DC转换器

我们曾提及USB PD的一个优势是能够共享一个AC适配器，但这需要选择一个供电能力足够大的AC适配器。

这里的问题在于“尺寸”。供电能力的大小与AC适配器的尺寸成正比，当功率达到100W时，AC适配器就会变得非常庞大笨重。但是，近年来这一问题已经得到了解决。这是因为在AC/DC转换器的开关元件中采用了GaN半导体，从而实现了小型化。采用GaN的小型AC适配器产品逐年增多，有些产品甚至实现了比传统产品小50%以上的小型化。为什么采用GaN能够实现小型化呢？这是因为与传统的Si相比，GaN的开关损耗更小。开关损耗小意味着发热量小。此外，即使在提高开关频率的情况下，也能将发热量控制在传统水平。因此，可以实现散热零部件或无源零部件的小型化，从而缩小AC适配器的尺寸。此时，使用导电性电容器可以实现更有效的小型化。详情请参阅以下文章。

导电性电容器对采用GaN的AC/DC转换器的全面推广做出了什么贡献？

1-2. DC/DC转换器

在支持USB PD的设备中，从AC适配器接收功率的设备其受电侧的电源电路也发生了变化。例如，传统的充电式无绳吸尘器等设备，其AC适配器的输出电压被固定为最适合电池充电的电压。但是，当支持USB PD时，如前文所述，设备必须连接上支持USB PD的各种输出电压的AC适配器。显然，这些电压与电池的允许充电电压并不一致。因此，通过在USB PD端口和电池之间新增一个DC/DC转换器，来将从设备接收的受电电压※调整至电池所需的充电电压。

※受电电压并非一定是AC适配器的最大输出电压，而是根据设备侧的USB PD控制器的不同进行选择。

但是，这里出现了一个令人担忧的问题。对于这类因支持USB PD而需要附加DC/DC转换器的设备，若想维持原有的设备尺寸，可利用的安装空间未必充足。此外，对于已经支持USB PD的设备，如果采用更大功率的USB PD EPR，同样会出现类似问题。

在这种情况下，理想的解决方案是尽可能减小DC/DC转换器的尺寸。为了选定有助于实现小型化的最佳电容器，我们首先需要了解USB PD中使用的DC/DC转换器的工作原理及其与电容器的关系。

开关纹波电流
使用DC/DC转换器时，其开关动作会在其输入输出端产生纹波电流。这种纹波电流需要在DC/DC转换器附近被吸收，以防止干扰外围电路。电容器的作用就是吸收（滤除）该纹波电流。
负载波动电流
此外，除纹波电流之外，还存在其他会发生的电流波动。这类波动是因DC/DC前后两端的电路引起的。在DC/DC后的系统电路中，根据用途不同，因工作负载的变化可能会产生较大的电流波动。如果该波动速度较快，DC/DC 或电池的电流供给将无法跟上。此时，电容器就承担起备用的作用，用来提供所需的电流。此外，当从USB端口向外部设备供电时，也可能因类似原因需要电容器瞬间提供备用电流。

那么，针对这些电流波动，能够实现小型化设计的最佳电容器是哪些呢？
出于滤除纹波电流的目的，MLCC（多层陶瓷电容器）是常见的选择。由于DC/DC转换器的开关频率在数百kHz到数MHz范围内产生，因此在该频段内具有低阻抗、低ESR、小体积且允许电流较大的MLCC便尤为有效。但是，需要注意的是，在轻负载条件下DC/DC转换器的间歇工作等原因，可能导致低频可听范围内出现较大纹波电流，从而产生啸叫。啸叫是由于MLCC特有的逆压电效应引起的伸缩导致基板振动而产生的。若需抑制啸叫，可采取诸如组合使用不产生啸叫的导电性电容器和不易引起啸叫的小型MLCC等措施。

出于电流备用的目的，通常使用导电性电容器。因为负载波动电流的频率低于开关纹波电流，且振幅更大，因此需要大电容的电容器。虽然仅从额定值看，MLCC也有小型大电容的产品，但由于其电容会随施加电压大幅下降的偏压特性，因此实际上需要多个MLCC，反而会占用更大面积。此外，如果试图优化数量，则需要对这种特性变化进行充分的验证。另一方面，导电性电容器的电容不会因施加电压而变化，因此可以获得稳定的大电容。因此，它成为一种能够以较少设计投入实现小型化的解决方案。

那么，在导电性电容器中，哪些产品最适合小型化呢？
当着眼于形状时，导电性电容器可分为罐型和模塑型两类产品，而若追求尽可能小型化，模塑型产品是最佳选择。罐型电容器是高度最低的产品，高度为6～5mm（视额定值而定），并且产品线也有限。而模塑型电容器则拥有丰富的高度为4mm以下的小型大电容产品线。由于高度为2mm以下的产品也很常见，因此可以在基板的两面进行安装，与罐型电容器相比，可以获得更高的电容密度。

此外，当着眼于电介质材料时，导电性电容器还可分为铝质与钽质两种类型。这也是与小型化相关的因素之一，钽质类型的相对介电常数更高，在大多数情况下更易于实现小型大电容。松下机电公司销售的导电性聚合物钽固体电解电容器(POSCAP)是一种采用模塑形状和钽电介质的电容器，实现了小型大电容。POSCAP通过细化钽粉颗粒和改善结构，不断提高了电容密度，并扩充了额定电压为35V的大电容产品(35TQT56M、35TQS68ME2)。这些产品对于已开始引入的USB PD EPR 28V应用而言，将为解决贴装面积课题做出贡献。