對於體積更小、重量更輕且效率更高的 AC/DC USB 電力傳輸 (PD) 充電器的需求，始終是電源設計工程師的一大挑戰。在 100W 以下，準諧振反激式仍為主流拓撲結構，而氮化鎵 (GaN) 技術則可進一步推進功率密度與效率。

然而，要為主控制器提供偏壓電源，需在變壓器上設置輔助繞組，並搭配整流與濾波電路。更棘手的是，USB PD 充電器的輸出電壓範圍相當廣泛。例如，USB PD 標準功率範圍涵蓋 5V 至 20V 的輸出電壓，而最新的 USB PD 擴展功率範圍則可支援高達 48V 的輸出電壓。

由於輔助電壓與輸出電壓成正比，主控制器上的偏壓電壓範圍將會增加，從而需要額外電路並降低效率。在本篇電源小技巧 (Power Tip) 中，我將介紹一種自偏壓式返馳式轉換器解決方案，以應對這些設計挑戰。

應對寬範圍偏壓電壓

圖 1、圖 2、圖 3 與 圖 4 說明了四種不同方法，以應對 USB PD 充電器應用中的寬範圍偏壓電壓。傳統方法包括使用線性穩壓器、具有抽頭的輔助繞組，或甚至額外加入 DC/DC 切換式轉換器來調節偏壓電壓。以上所有方法皆會增加元件數量、提高成本，或導致功率損耗增加。或者，自我偏壓設計可完全移除外部元件，並提升效率。

VCC 自偏壓

反馳控制器通常可直接從整流後的 AC 輸入電壓獲取偏壓電源，但此方式會導致過多的功率損耗。自偏壓的關鍵在於自電源級擷取能量，而此能量可來自兩個來源。一是開關節點電容所儲存的能量，另一是變壓器初級側繞組所儲存的能量。如 圖 5 所示，一體化自偏壓電路可根據輸入與輸出條件，同時從上述兩種來源擷取能量。

圖 6 顯示來自開關節點電容的能量擷取機制。如此方式可提升效率，因為其在每一個切換週期中回收開關節點電容內儲存的能量。在如 AC 低線電壓輸入等情況下，當反射的輸出電壓與輸入電壓相等時，會自然發生零電壓切換，此時開關節點電容中無能量，便會啟用電感能量擷取機制，其中一小部分初級側開關電流會透過內部路徑導入 VCC 電容。

實現無輔助感測

許多返馳式控制器會使用輔助繞組來感測輸入與輸出電壓，並偵測如輸出過電壓或輸入低電壓等狀況。對於自偏壓返馳式轉換器，可利用開關節點電壓來進行輸入與輸出電壓感測。如 圖 7 所示，所感測的電壓為輸入電壓與反射輸出電壓之加總。由於初級繞組兩端的平均電壓為零，因此開關節點電壓的平均值等於輸入電壓。

為了進行輸出電壓感測，可取樣反射輸出電壓，並須透過可由電阻編程的接腳（即德州儀器 (TI) UCG28826 中的 TR 接腳）將變壓器的實際匝數比告知控制器。

一旦正確設定，自偏壓裝置（如 UCG28826）便能精確地提供多項保護功能，例如過功率與過電壓保護。圖 8 顯示了 UCG28826 在 USB PD 應用中的使用情形。

圖 9 顯示在刻意斷開回授接腳 (feedback pin) 後的過電壓保護波形，該情形屬於單一故障條件。當輸出電壓為額定 20V，卻升高至約 24.4V 時，控制器會偵測輸出電壓並對應啟動過電壓保護。

原型和測試結果

圖 10 顯示 TI 通用 AC 輸入 65W 雙 USB Type-C 連接埠 USB PD 充電器的參考設計，該設計包含一體化 GaN 功率開關。由於 UCG28826 具備簡化的自偏壓功能與整合 GaN 開關，該參考設計實現了 2.3 W/cm³ 的功率密度與 93.2% 的 AC/DC 級效率。無輔助線設計亦簡化變壓器製造並降低成本。表 1 彙總 65W 設計的設計參數供參考。

簡化型 USB PD 充電器

高整合度的控制器與 GaN 開關可簡化 USB PD 充電器設計，但控制器的偏壓電路與變壓器上的輔助繞組仍然存在，將降低效率並影響體積與成本。

整合式自偏壓電路可消除該部分電路，並提升具寬範圍輸出的電源供應器之功率密度。此外，即使變壓器上無輔助繞組，仍可實現正確的輸入與輸出電壓感測。

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