通嘉科技推出高性能数字不对称半桥返驰式（AHB Flyback）完整解决方案，实现高效率240W USB PD3.1应用 -EDN 电子技术设计

 随着电子设备功率需求的快速攀升，如高效能笔记型电脑、工作站、甚至部分小型家电，其功率需求已远超过USB PD 3.0 的 100W 上限。

參考文獻:通嘉科技LD5780/LD7710應用手冊及IC規格書

1.通嘉USB PD3.1快速充电器之不对称半桥返驰式转换之数字控制芯片背景说明

随着电子设备功率需求的快速攀升，如高效能笔记型电脑、工作站、甚至部分小型家电，其功率需求已远超过USB PD 3.0 的 100W 上限。这些更高功率设备的出现促使USB-IF于 2021 年推出 USB PD 3.1标准，如表1所示，其中最核心的技术升级为引入扩展功率范围 (EPR)。 EPR标准将最大功率输出大幅提升至 240W (48V/5A)，并新增了 28V、36V 和 48V 等更高固定电压档位，同时向下兼容于PD 3.0的5V、9V、15V和20V功率能力(SPR)。

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USB PD3.1 Specification	Standard Power Range (SPR)	Extended Power Range (EPR)
Maximum Power	100W (20V/5A)	240W (48V/5A)
Fixed Voltage PDOs	5V, 9V, 15V, 20V	5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V, 48V
Adjustable Voltage Supply(AVS)	3.3V - 21V (20mV steps)	15V - 48V (50mV or 100mV steps)
Maximum Current	5A	5A
Cable Requirement	5A rated USB-C cable	EPR rated USB-C cable
表1. USB Power Delivery 3.1 (PD 3.1)规格概要

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针对PD 3.1 宽电压输出范围(5V~48V)的核心优势，通嘉科技(Leadtrend Tech. Corp.)推出新一代具备临界导通模式(CRM)与分组脉宽调变模式 (GPWM)，应用于不对称半桥反驰式(AHB Flyback)转换器架構的LD5780/LD7710控制器，专为USB PD 3.1输出范围的快速充电器及适配器电源设计，IC透过辅助绕组电压信号取样，实现半桥上下臂功率元开关的零电压切换(ZVS)，并且内部建置了PFC控制接口，藉由侦测输入电压、输出电压及输出功率，调控PFC级的输出电压，并可动态启动或关闭PFC控制。此设计不仅满足USB PD 3.1宽输出电压的应用需求，同时有效提升系统效率并优化运行性能。

LD5780/LD7710控制器具备六项创新技术，使不对称半桥反驰式转换器方案达到最优化:

操作在临界导通模式(CRM)，透过辅助绕组电压信号，调整副开关(ASW)之延迟关闭时间，控制变压器负向激磁电流大小，实现ZVS切换。
IC具备多模式混合控制，以提高全范围负载之系统效率，在重负载条件下，以峰值电流模式操作于临界導通模式(CRM)，并根据负载调节输出，轻载时则采用准谐振(Quasi-resonance,QR)模式，根据负载情况降低切换频率，当负载进一步下降，最大开关频率将限制为 30kHz，并进入突发模式(Burst Mode)。
分组脉宽调变控制技术(Group PWM)，透过数组临界导通模式(CRM)周期搭配一周非連續导通模式(DCM)切换周期操作，为通嘉零电压切换脉冲(ZVS Pulse)的新型专利技术，在中轻载条件下，此技术可保有零电压切换 (ZVS)特性，同时实现降频以减少切换损耗，进一步优化系统效率。
前級PFC控制接口，可根据需求调控PFC电压、启用或停用PFC级，以进一步优化轻载效率。
内建输出电流检测功能，提供输出过电流保护(OCP)，并具备轻重载模式侦测，搭配PFC控制接口，进一步优化轻载效率。
透过内建Boost升压电路，有效改善在USB PD 3.1宽电压输出应用下，控制芯片的耐压及功耗问题。

以上创新技术的应用，有助于提升不对称半桥返驰式电能转换器方案的效率与可靠性。通嘉不对称半桥反驰式转换器控制器方案如表2:

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Name	LD5780	LD7710
Package	SOP-16	SOP-16
Topology	Asymmetrical Half-Bridge Flyback
Soft-switch	Zero Voltage Switch
UVLO ON/OFF	22V/10.5V
VCC Level Control	Yes
V_CS_{_}_MAX	0.8V
Maximum Frequency	300kHz
Minimum Frequency	30kHz
Grouped PWM	Yes
PFC Output Control	Yes
Boost Regulation	Yes	NA
H/L Side Driving	NA	Yes
表2. 通嘉不对称半桥反驰式(AHB Flyback)转换器控制器方案

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通嘉USB PD 3.1快充原理图说明

图1 PWM:LD5780 + HB Driver:LD5100 + PFC:LD7593DC + SR:LD8529U + PD:LD6618

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图1. 通嘉USB PD 3.1快充整套方案PWM:LD5780+HB Driver:LD5100+PFC:LD7593DA+SR:LD8529U+PD:LD6617/8

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图2 PWM:LD7710+PFC:LD7593DC+SR:LD8529U+PD:LD6618

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图2. 通嘉USB PD 3.1快充整套方案PWM: LD7710+PFC:LD7593DC+SR:LD8529U+PD:LD6617/8

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2.通嘉不对称半桥反驰式(AHB Flyback)转换技术特点说明

根据不同的应用需求，数字可配置设定参数与功能，以适应各类系统需求。
具700V 高压启动电路(HV start-up)及X-CAP discharge放电功能。
内建升压Boost电路与LDO，提供外部电路稳定供电，并进一步优化轻载条件下的效率。
适用于高/低侧驱动器输入的+10mA/-25mA TTL 兼容MSW/ASW 信号
MSW/ASW ZVS零电压切换侦测技术，提升开关效率并降低损耗。
根据输入电压、输出电压及输出功率，动态调控PFC 启用、停用与电压调节控制，以优化系统效率。
保护模式：自动重新启动/锁定：VCC/FB OVP、OCP、OLP、OTP

自动重启：内部 OTP、输入电压BNI/O

LD5780之电路功能说明如图3及IC Pin脚功能应用说明如表3

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图3. LD5780电路功能说明

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Pin	NAME	应用说明
1	LX	升压Boost开关引脚
2	LXGND	升压Boost接地引脚
3	FB	辅助绕组电压侦测、输出电压保护(OVP)、准谐振(QR)侦测与ZVS自动追踪控制
4	COMP	输出反馈引脚，与二次侧光耦合器连接进行系统回授控制
5	CS	电流侦测OCP，输出轻重载侦测
6	SET	前級PFC轻重载模式进出点设定引脚
7	OTP	外部关断保护
8	GND	Ground
9	INV	搭配前級PFC回授控制(PFC ON/OFF, PFC LV3 Vo Control)
10	ADJ	高输入电压下前級PFC电压调节(PFC LV4 Vo Control)
11	ASW	副开关闸极驱动讯号
12	MSW	主开关闸极驱动讯号
13	LDOOUT	低压降调节器输出，用于外部驱动器和 PFC 控制器供电
14	VCC	VCC_ON=22V,VCC_OFF=10.1V,Holding mode=10.5V, OVP=40.5V
15	NC	Unconnected pin.
16	HV	AC Brown in/out, X-Cap放电，AC High/Low line侦测
表3. LD5780 Pin脚功能应用说明

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LD7710电路功能说明如图4及IC Pin脚功能应用说明如表4

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图4. LD7710电路功能说明

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Pin	NAME	应用说明
1	HG	高侧开关闸极驱动讯号
2	HVCC	高側栅极驱动电路的供電VHVCC_ON=8.5V,VHVCC_OFF=7.5V
3	HB	高端栅极驱动浮動地
4	NC	Unconnected pin.
5	FB	辅助绕组电压侦测、输出电压保护(OVP)、准谐振(QR)侦测与ZVS自动追踪控制
6	COMP	输出反馈引脚，与二次侧光耦合器连接进行系统回授控制
7	CS	电流侦测OCP，输出轻重载侦测
8	OTP	外部关断保护
9	INV	PFC回授控制(PFC ON/OFF, PFC LV3 Vo Control)
10	ADJ	高输入电压下PFC电压调节(PFC LV4 Vo Control)
11	LDOOUT	低压降调节器输出，用于外部驱动器和 PFC 控制器供电
12	VCC	VCC_ON=22V,VCC_OFF=10.1V,Holding mode=10.5V, OVP=40.5V
13	GND	Ground
14	LG	低侧开关闸极驱动讯号
15	NC	Unconnected pin.
16	HV	AC Brown in/out, X-Cap放电，AC High/Low line侦测
表4. LD7710 Pin脚功能应用说明

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3.不对称半桥反驰式(AHB Flyback)控制器功能应用说明

3.1零电压切换(ZVS)技术

LD5780/LD7710，透过延迟副开关ASW关闭时间，可有效调控变压器负向激磁电流大小。当副开关关闭后，负向激磁电流能够通过主开关管杂散电容回路，将杂散电容储存的能量抽离至输入端，而非在开关过程消耗掉，将切换损失降至接近0W。同时，由辅助绕组FB Pin侦测零电压切换(ZVS)的状态，调整副开关延迟关闭时间，以达到精确控制的目的。零电压切换(ZVS)控制如图5，控制逻辑说明如下

(1), (3) ASW截止后, LD5780 透过FB判断ZVS是否为Failed(FB电路如图6)

(2), (4)当判定未达成ZVS，控制器延长ASW on-time 以增加负向ILM

(5)重新判定ZVS状态，确认零电压切换(ZVS)达成

(6)控制器将ASW 導通時間(on-time)设定为固定值

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图5. ZVS零电压切换控制波形

图6. FB Pin侦测电路

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3.2 控制前级PFC介面說明

LD5780/LD7710规划了控制前级PFC介面，以提升系统与搭配前级PFC的整体效率，如图7所示，具四阶段PFC输出控制以及启用或停用前级PFC。

前級PFC 停用: LD5780 INV Pin内置80uA IINV 电流源，强制拉高PFC回授引脚电压。

前級PFC 输出电压LV1~LV2 (ex: 50~250V):在轻负载条件下， INV Pin 根据FB Pin电压，供给PFC回授引脚10uA~0uA的电流，以调控PFC输出电压。

前級PFC 输出电压 LV3 (ex: 300V):SW_INV开启，R_INV 参与PFC回授分压，用以应对低输入电压下之重负载条件。

前級PFC 输出电压 LV4 (ex: 400V):SW_INV 与SW_ADJ开启，R_INV及R_ADJ参与PFC回授分压，用以应对高输入电压下之重负载条件。

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圖7. 控制前級PFC之介面

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另外, 控制前级PFC逻辑说明如下

控制前级PFC逻辑如表5所示，LD5780/LD7710根据输入电压、输出电流及输出功率进行PFC级的控制，以优化系统效率优化。例如，当PD输出需求在15V以内，I_INV输出80µA的电流，强行拉高PFC回授电压来触发OVP，达成停用PFC级的目的。在轻载条件下，非对称半桥返驰式转换器仅需与一正比输出电压的输入电压配合，即可维持正常运作， LD5780/LD7710透过FB侦测输出电压，并以I_INV 0~10µA调节PFC输出电压，在PFC级输出低电压或是停用的同时，不仅可降低PFC级的损失，还能减少后级非对称半桥反驰式转换器的切换损失，进一步优化轻载效率的效果。低输入市电条件下（如115Vac），当负载操作于中、重载条件下，需要提供一超过市电峰值电压的PFC输出电压以确保其正常运作，但又不过高以优化PFC效率（如300V），此时，LD5780内部SWINV导通，使RINV参与PFC级回授分压，以达成该目的（如图8所示）。高输入市电条件下（如230Vac），当负载操作于中、重载条件下，需要最大化PFC输出电压以保证正确运作（如400V）。此时，LD5780同时开启SWINV及SWADJ，让RINV及RADJ都参与前级PFC回授分压，从而实现将前级PFC输出电压提升至400V，如图9所示。

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PFC级轻载模式: ex: PFC Vo=50~250V for PD5~36V HZqednc PFC级重载模式 (低输入电压 low level): ex: PFC Vo=300V for PD20~48V HZqednc PFC级重载模式 (高输入电压high level): ex: PFC Vo=400V for PD20~48VHZqednc
表5. PFC 控制逻辑说明

图8.低线电压PFC逻辑控制图	图9. 高线电压PFC逻辑控制图

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3.3 CS(Current Sense) Pin 功能说明

LD5780/LD7710内建输出电流侦测电路，具输出过电流保护(OCP) ，并可根据轻重载状态调整PFC级控制接口，以动态启用或停用PFC级，并调控PFC输出电压。输出电流公式如图10所示，透过V_CS及V_FB即可侦测输出电流，如图11电路所示，IC 会依据当前的 FB (反馈) 取样电压，动态判断系统处于轻载或重载状态，并以此作为前级PFC工作模式的依据。此外，确保系统在输入功率小于75W之前，引入PFC级拉升系统功率因素。

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图10. CS Pin输出电流侦测波型	图11. CS Pin输出电流、功率侦测电路

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3.4 Group PWM Operation (GPWM)操作说明

在临界导通模式(CRM)条件操作下，不对称半桥返驰式架构具有零电压切换效果。然而，当在轻载下限制操作于临界导通模式(CRM)条件下时，可能导致开关频率过高，进而增加驱动功率及变压器铁损，使得效率降低;而当降频操作于非連續导通模式(DRM)时，将会失去零电压切换(ZVS)效果。LD5780/LD7710分组脉宽调变(Grouped PWM)技术，如图12所示，将N个PWM设为一组，其中N-1个PWM操作于临界导通模式(CRM)，第N个PWM操作于非連續导通模式(DCM)，以实现优化系统效率的目的。分组脉宽调变频率为F_SW/N，如图13所示，控制器可根据运行状况调整N值，避免落入音频范围(<20kHz)，以防止系统异音。在分组脉宽调变模式(GPWM)/非連續导通模式(DCM)条件下，LD5780/LD7710透过 FB 接脚进行谷底开关准谐振(QR)控制，以改善开关损耗，并且最大开关频率依据降频曲线受V_COMP限制，如图14所示。

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图12. 轻重载GPWM操作波形

图13. GPWM分组脉宽操作频率	图14. COMP降频曲线

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3.5 PCB Layout路径说明

PCB Layout路径说明示意图如图15、图16所示

IC信号:

避免接近高dv/dt节点(HB、VCR)，以避免电场耦合干扰

避免位于大电流回路内(ICR Loop)，以避免电磁耦合干扰。

GND:

AUX GND接至LX GND再拉至Bulk GND

PWM, PFC, Driver各自元件回流至各自IC的GND，再拉至Bulk GND

PWM Current Sensing:

Trace直连RCS pin脚，RCS靠近Bulk电容，避免引入主回路的杂讯

最小化CS loop面积降低PFC电磁干扰

RC filter靠近IC端优化滤波效果

Half-bridge driver IC:

驱动开关回路面积尽可能小，走线尽可能短，以降低驱动回路电感的影响

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圖15. LD5780 Layout路徑示意圖

圖16. LD7710 Layout路徑示意圖

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3.6不对称半桥返驰式变压器设计

变压器设计 (L_p , 1^st & 2^nd绕线)

L_P 设计:

For ,

From 根据ZVS条件, I_PN= -0.7A = 180

1^ST绕线设计:

For R_CS= 0.180 Ω , V_CS,Max= 0.8 V, A_e= 1.54 cm², B_max= 0.31 Tesla:

= 16.8

四舍五入N_PReal= 17 Turns

2^nd绕线设计:

Turns

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4.通嘉240W USB PD3.1 演示板之系统测试

LD5780(AHB)+LD5100(HB Driver)+LD7593(PFC)+ LD8529(SR) + LD6618(PD)

PCB Size: 147mm(L) x 67.5mm(W) x 27mm(H)

Power Density: 14.68 W/inch³

输出功率:48V / 5A, 36V / 5A, 28V / 5A, 20V / 5A, 15V / 3A, 9V / 3A, 5V / 3A

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图17. 240W USB PD3.1演示板实体图

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4.1待机功耗测试

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V_IN,AC ( V / Hz )	P_IN ( mW )	SPEC ( mW )
115 / 60	40	< 75 mW
230 / 50	66

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4.2 效率测试

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Test Item	Test Condition
Input Voltage	115 V_AC / 60 Hz	230 V_AC / 50 Hz
Output Current	100 %, 75 %, 50 %, 25 %, 10 % of Full Load
Measured Point of Output Voltage	End of PCB
Duration of Burn-in	30 Minutes
Requirement	CoC Tier 2

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115V/60Hz	230V/50Hz

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结论

这套完整240W USB PD3.1演示板在 230VAC 输入、48V/5A 输出条件下，实测系统待机功耗低于 75mW，符合严格的欧盟 ErP 能效规范。同时，其板端峰值效率高达 94.99%，并且在全输出电压范围内的系统平均效率以及 10% 负载效率均能满足 CoC Tier 2 的要求。为因应最新的 USB PD 3.1 快充标准，透过通嘉科技多项关键技术的整合，成功实现了高功率应用所需的高性能和高效率。如果您想了解通嘉更多产品信息，可以参考如下联系方式，期待与您的合作：

E-mail: Sales@leadtrend.com.tw

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责编：Ricardo

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通嘉科技推出高性能数字不对称半桥返驰式 （AHB Flyback）完整解决方案， 实现高效率240W USB PD3.1应用

參考文獻:通嘉科技LD5780/LD7710應用手冊及IC規格書

1.通嘉USB PD3.1快速充电器之不对称半桥返驰式转换之数字控制芯片背景说明

LD5780/LD7710控制器具备六项创新技术，使不对称半桥反驰式转换器方案达到最优化:

操作在临界导通模式(CRM)，透过辅助绕组电压信号，调整副开关(ASW)之延迟关闭时间，控制变压器负向激磁电流大小，实现ZVS切换。

前級PFC控制接口，可根据需求调控PFC电压、启用或停用PFC级，以进一步优化轻载效率。

内建输出电流检测功能，提供输出过电流保护(OCP)，并具备轻重载模式侦测，搭配PFC控制接口，进一步优化轻载效率。

透过内建Boost升压电路，有效改善在USB PD 3.1宽电压输出应用下，控制芯片的耐压及功耗问题。

以上创新技术的应用，有助于提升不对称半桥返驰式电能转换器方案的效率与可靠性。通嘉不对称半桥反驰式转换器控制器方案如表2:

通嘉USB PD 3.1快充原理图说明

图1 PWM:LD5780 + HB Driver:LD5100 + PFC:LD7593DC + SR:LD8529U + PD:LD6618

图2 PWM:LD7710+PFC:LD7593DC+SR:LD8529U+PD:LD6618

2.通嘉不对称半桥反驰式(AHB Flyback)转换技术特点说明

根据不同的应用需求，数字可配置设定参数与功能，以适应各类系统需求。

具700V 高压启动电路(HV start-up)及X-CAP discharge放电功能。

内建升压Boost电路与LDO，提供外部电路稳定供电，并进一步优化轻载条件下的效率。

适用于高/低侧驱动器输入的+10mA/-25mA TTL 兼容MSW/ASW 信号

MSW/ASW ZVS零电压切换侦测技术，提升开关效率并降低损耗。

根据输入电压、输出电压及输出功率，动态调控PFC 启用、停用与电压调节控制，以优化系统效率。

保护模式：自动重新启动/锁定：VCC/FB OVP、OCP、OLP、OTP

自动重启：内部 OTP、输入电压BNI/O

LD5780之电路功能说明如图3及IC Pin脚功能应用说明如表3

LD7710电路功能说明如图4及IC Pin脚功能应用说明如表4

3.不对称半桥反驰式(AHB Flyback)控制器功能应用说明

3.1零电压切换(ZVS)技术

(1), (3) ASW截止后, LD5780 透过FB判断ZVS是否为Failed(FB电路如图6)

(2), (4)当判定未达成ZVS，控制器延长ASW on-time 以增加负向ILM

(5)重新判定ZVS状态，确认零电压切换(ZVS)达成

(6)控制器将ASW 導通時間(on-time)设定为固定值

3.2 控制前级PFC介面說明

LD5780/LD7710规划了控制前级PFC介面，以提升系统与搭配前级PFC的整体效率，如图7所示，具四阶段PFC输出控制以及启用或停用前级PFC。

前級PFC 停用: LD5780 INV Pin内置80uA IINV 电流源，强制拉高PFC回授引脚电压。

前級PFC 输出电压LV1~LV2 (ex: 50~250V):在轻负载条件下， INV Pin 根据FB Pin电压，供给PFC回授引脚10uA~0uA的电流，以调控PFC输出电压。

前級PFC 输出电压 LV3 (ex: 300V):SWINV开启，RINV 参与PFC回授分压，用以应对低输入电压下之重负载条件。

前級PFC 输出电压 LV4 (ex: 400V):SWINV 与SWADJ开启，RINV 及RADJ参与PFC回授分压，用以应对高输入电压下之重负载条件。

另外, 控制前级PFC逻辑说明如下

3.3 CS(Current Sense) Pin 功能说明

3.4 Group PWM Operation (GPWM)操作说明

3.5 PCB Layout路径说明

PCB Layout路径说明示意图如图15、图16所示

IC信号:

避免接近高dv/dt节点(HB、VCR)，以避免电场耦合干扰

避免位于大电流回路内(ICR Loop)，以避免电磁耦合干扰。

GND:

AUX GND接至LX GND再拉至Bulk GND

PWM, PFC, Driver各自元件回流至各自IC的GND，再拉至Bulk GND

PWM Current Sensing:

Trace直连RCS pin脚，RCS靠近Bulk电容，避免引入主回路的杂讯

最小化CS loop面积降低PFC电磁干扰

RC filter靠近IC端优化滤波效果

Half-bridge driver IC:

驱动开关回路面积尽可能小，走线尽可能短，以降低驱动回路电感的影响

3.6不对称半桥返驰式变压器设计

变压器设计 (Lp , 1st & 2nd 绕线)

LP 设计:

For ,

From 根据ZVS条件, IPN= -0.7A = 180

1ST 绕线设计:

For RCS = 0.180 Ω , VCS,Max = 0.8 V, Ae = 1.54 cm2, Bmax = 0.31 Tesla:

= 16.8

四舍五入 NPReal = 17 Turns

2nd绕线设计:

Turns

4.通嘉240W USB PD3.1 演示板之系统测试

LD5780(AHB)+LD5100(HB Driver)+LD7593(PFC)+ LD8529(SR) + LD6618(PD)

PCB Size: 147mm(L) x 67.5mm(W) x 27mm(H)

Power Density: 14.68 W/inch3

输出功率:48V / 5A, 36V / 5A, 28V / 5A, 20V / 5A, 15V / 3A, 9V / 3A, 5V / 3A

4.1待机功耗测试

4.2 效率测试

结论

E-mail: Sales@leadtrend.com.tw

通嘉科技推出高性能数字不对称半桥返驰式（AHB Flyback）完整解决方案，实现高效率240W USB PD3.1应用

前級PFC 输出电压 LV3 (ex: 300V):SW_INV开启，R_INV 参与PFC回授分压，用以应对低输入电压下之重负载条件。

前級PFC 输出电压 LV4 (ex: 400V):SW_INV 与SW_ADJ开启，R_INV及R_ADJ参与PFC回授分压，用以应对高输入电压下之重负载条件。

变压器设计 (L_p , 1^st & 2^nd绕线)

L_P 设计:

From 根据ZVS条件, I_PN= -0.7A = 180

1^ST绕线设计:

For R_CS= 0.180 Ω , V_CS,Max= 0.8 V, A_e= 1.54 cm², B_max= 0.31 Tesla:

四舍五入N_PReal= 17 Turns

2^nd绕线设计:

Power Density: 14.68 W/inch³