英飞凌120 W USB PD多端口充电方案：XDPS2221E控制器与CoolGaN™开关的强强联合

在现代消费电子市场中，快速充电技术已成为标配，而多端口、高功率密度、高效率的USB PD（Power Delivery）充电器更是备受青睐。英飞凌（Infineon）作为功率半导体领域的领导者，推出的基于XDPS2221E多模式控制器和**CoolGaN™**增强型氮化镓开关的120 W多端口USB PD充电方案，正是为了应对这一市场需求而设计的。该方案通过创新的技术组合，在实现高功率输出的同时，极大地提升了系统效率、缩小了产品体积，为设计师提供了高性能、高可靠性的解决方案。

方案核心：XDPS2221E控制器与CoolGaN™的协同优势

该方案的核心是双管反激拓扑与氮化镓（GaN）开关的完美结合。XDPS2221E是一款高度集成的数字增强型多模式控制器，它专为双管反激（Dual-MOSFET flyback）拓扑设计，能够实现零电压开关（ZVS），从而显著降低开关损耗。传统的反激拓扑在轻载时效率较低，且在开通时存在硬开关损耗。XDPS2221E通过其自适应多模式控制技术，在重载时启用准谐振（QR）模式以实现高效率，而在轻载时则切换至谷底锁定（Valley-lock）模式，确保在宽负载范围内都能保持优异的效率表现。其集成的数字引擎使其能够精确控制开关时序，特别是在ZVS实现上，确保系统在大部分工作周期内都能以软开关方式运行，大大降低了电磁干扰（EMI）和热量产生。

而与XDPS2221E配套的**CoolGaN™**开关则是实现高效率和高功率密度的关键。相比传统的硅基MOSFET，氮化镓（GaN）具有更快的开关速度、更低的导通电阻和更小的寄生电容。这些特性使得GaN开关在工作于高频时，能将开关损耗降至最低。在XDPS2221E控制器的精准驱动下，CoolGaN™开关可以充分发挥其优势，将工作频率提升至兆赫兹（MHz）级别。高工作频率意味着可以使用更小的变压器和无源元件，从而显著减小充电器的整体体积和重量，实现高功率密度。例如，在120 W的输出功率下，采用该方案可以轻松将充电器体积控制在60-70 cc甚至更小，远低于传统硅方案。

优选元器件及其功能解析

要构建一个完整的120 W USB PD多端口充电器，除了核心控制器和开关，还需要精心选择其他关键元器件，以确保系统的稳定性和可靠性。

• 主开关：CoolGaN™增强型开关

• 优选型号：IGT60R070D1 或 IGT60R070D1S

• 作用与选择理由： 这是方案中的核心功率开关，用于实现初级侧的能量传输。选择IGT60R070D1系列的原因在于其极低的通态电阻（RDS(on)）和极快的开关速度，能够有效降低导通损耗和开关损耗。其增强型（E-mode）特性使得它在无栅极驱动信号时自然处于关断状态，保证了系统的安全性。此外，CoolGaN™开关的驱动要求与标准硅MOSFET兼容，便于设计，且其高耐压能力（600V）为初级侧高压应用提供了足够的裕量。

• 同步整流控制器：XDPS21071

• 作用与选择理由： 在高功率密度和高效率的充电器中，同步整流（Synchronous Rectification）是必不可少的。它使用低通态电阻的MOSFET来代替传统二极管，以显著降低次级侧的整流损耗。XDPS21071是一款专为同步整流设计的控制器，它能够精确地检测变压器次级绕组的电压，并智能控制同步整流MOSFET的开通与关断，确保在每个开关周期都能实现无缝整流，避免了反向电流，进一步提升了系统效率。其自适应关断延迟功能可以有效应对宽负载范围内的变化，保证整流过程的稳定。

• 同步整流MOSFET：OptiMOS™ 5系列

• 优选型号：IPN60R1K4CE 或 IPN60R1K4CEB

• 作用与选择理由： 作为与XDPS21071配套使用的功率管，OptiMOS™ 5系列MOSFET以其极低的通态电阻和优化的开关特性而闻名。在同步整流应用中，选择低$R_{DS(on)}$的MOSFET能够最大程度地减少导通损耗，而优化的栅极电荷（Qg）则有助于提高开关速度，降低开关损耗。这些特性使得OptiMOS™ 5系列成为实现高效率同步整流的理想选择。

• 主控制器：XDPS2221E

• 作用与选择理由： 这是整个初级侧电源控制的核心大脑。选择XDPS2221E的原因在于其强大的集成度和先进的控制算法。它集成了双管反激控制逻辑、高压启动功能、欠压锁定（UVLO）、过压保护（OVP）以及多重故障保护机制。其数字增强型多模式控制技术使得系统能够在宽负载和宽输入电压范围内都能实现高效率。此外，其内置的EMI抖动功能（frequency jittering）有助于简化EMI滤波器设计，进一步节省了成本和空间。

• 次级控制器：EZ-PD™ CCG6

• 作用与选择理由： 对于多端口充电器来说，次级侧的PD协议控制是至关重要的。EZ-PD™ CCG6是一款高度集成的USB Type-C和PD控制器，支持最新的USB PD 3.0标准，包括PPS（Programmable Power Supply）协议。它能够智能管理多个USB端口的功率分配，并与连接的设备进行PD通信，协商最佳的充电电压和电流。其多端口管理功能可以确保即使在多个设备同时充电时，每个设备都能获得最合适的功率，避免过载或充电中断。

方案的技术优势与应用前景

该方案的组合为充电器设计带来了多重显著优势：

1. 极高效率：通过XDPS2221E的ZVS控制和CoolGaN™开关的低损耗特性，系统在全负载范围内都能保持94%以上的峰值效率，极大地减少了发热，降低了对散热系统的依赖。

2. 超高功率密度：GaN开关的高频工作能力使得磁性元件和电容的体积大幅缩小，从而实现超紧凑的产品设计，轻松满足消费者对小型化、便携化的需求。

3. 优异的热管理：低损耗意味着低发热，这不仅提高了产品的可靠性和寿命，也简化了结构设计，使得无需笨重的散热片也能实现120 W甚至更高的功率输出。

4. 强大的可扩展性：该方案的拓扑和器件选择具有良好的可扩展性，可以轻松调整设计以适应从65 W到150 W甚至更高的功率等级，满足不同市场的需求。

总而言之，英飞凌的XDPS2221E与CoolGaN™组合方案代表了高性能USB PD充电器设计的前沿技术。它通过创新的拓扑和先进的器件，解决了传统硅方案在高功率密度和高效率应用中面临的挑战，为未来的快速充电技术树立了新的标杆。