10月19日凌晨，苹果正式推出MacBook Pro 2021，并为16英寸MacBook Pro标配了一款140W USB-C充电器，这也是全求首款USB PD3.1快充标准的电源产品，标志着消费类电源市场正式布局USB PD3.1快充时代。据悉，苹果140W快充采用的是BUCK PFC + LLC架构。
140W是USB PD3.1规范新推出的功率等级，与USB PD3.0最明显的区别是输出电压由20V提升到28V，而输出电流不变依旧是5A。通过电压提高，获得更高的输出功率。和最早的高通QC快充路线相同，都是提高电压，来获得输出功率的增加。这样的做法可以避免线缆和连接器重新设计，增添额外的成本，阻碍新技术普及。同时还能通过氮化镓技术的应用，让充电器保持小巧的体积。
曾经非常流行的低压大电流快充，是将设备内部的充电电路直通，由充电器进行电池充电。设备内部没有充电电路，也就不会发热，有着很好的快充体验。但是大电流对连接器和线缆都有着很高的要求，线缆内部的线芯要足够粗，并且连接器也要特殊设计，导致通用性很差。另外低压大电流的电流，考虑到种种原因，也是不能无限制增大的，最大的输出功率也很有限。
而PD协议的诞生，就是要用一个充电器，去解决绝大多数设备的充电问题。电源的输出电流，延用了传统的最大输出电流为5A，这样做无需对线缆和连接器进行重新设计，不增添成本，对厂商和用户来说，都是一个好消息。我们上面说过，要提高输出功率，不提高输出电流的话，就要靠提高输出电压来实现，我们这篇文章就来说说，140W的PD快充要如何设计。
PFC是功率因数校正电路，在充电器中用于将整流后的电压升压，再通过电容滤波为反激或者ACF或LLC初级供电。现在多家厂商已经将PFC升压控制器和初级控制器集成到一颗芯片中，简化电路设计并实现更高的效率，并且二合一也符合充电器高集成度的要求，是将来的发展趋势，所以视作为一个整体。
这张表格是充电头网归纳的PFC控制器参数，其中MPS芯源半导体、NXP恩智浦、ONSEMI安森美、Infineon英飞凌均推出了PFC和初级控制器二合一的控制器，一颗芯片搞定充电器初级全部功能，实现更高的集成度。
一般来说，75W以上的充电器都需要增加PFC电路，这样做可以解决两个痛点；第一是为了照顾低压输入而采用较大容量的初级滤波电容，会占据充电器中相当大的一部分体积，体积增大，使得充电器不便携带。第二是大容量的电容，在交流电通过整流桥为电容充电时，呈现容性负载，产生很大的冲击电流，对电网造成污染和干扰。
处于对体积和电网的考量，大功率充电器中的电容，不能按照小功率充电器2μF/W的公式来选择了。使用升压式PFC升压电路，可以把整流后的电压升压，升压到380V左右为初级供电。减小不必要电容容量的同时，还消除了大容量电解电容对电网造成的干扰。
说完了PFC电路的必要性，再来说说初级的拓扑。常见的充电器初级拓扑分为反激、ACF有源主动钳位和LLC半桥谐振。其中反激属于将初级能量储存在磁芯中再释放，做大功率，需要较大的变压器体积，同时效率也较低，对体积要求较低以及低成本方案可以选用反激方案。
ACF有源钳位是一种优化的反激方案，通过使用MOS管取代反激电路中的RCD吸收回路，可以将漏感能量再利用，可以减小开关损失，提高转换效率。也支持更高的开关频率，充电器可以在体积得到控制的同时支持宽电压范围输出。
而LLC半桥谐振属于软开关，转换效率是三种拓扑中最高的。但是有得必有失，LLC输入电压可以通过PFC前级稳压供电，但是输出电压不能满足PD3.1的5-28V宽范围输出。必须另外搭配降压电路来实现宽电压的输出范围。
总体来说，反激的效率较低，体积较大，适用于低成本的充电器解决方案。而ACF可以提高整体的转换效率，增添一个开关管，可以大幅减小体积，性价比高。LLC架构，虽然说转换效率是最高的，但是还要增添独立的降压电路才能实现宽范围的电压输出，效率优势反而不明显，并且成本最高。
同步整流是指整流管随着初级开关管开通而同步关断，初级开关管关闭而同步导通，同步整流由此得名。同步整流采用导阻极低的MOS管代替肖特基二极管，减小大电流流过的压降损耗，从而显著提高充电器效率。
输出电压的升高，对同步整流控制器的耐压要求更高，通常来说，同步整流控制器检测脚的耐压足够支撑到28V输出，但是供电电压却不一定支持。可能需要增添一级降压为同步整流控制器进行独立的供电，使输出电压小于同步整流控制器的最高供电电压，确保同步整流控制器可以稳定工作。
以往的PD3.0充电器，最高输出电压为20V，使用常用的25V电容，即可很好的满足滤波需求。PD3.1最低电压等级是28V，超过了传统的25V电容耐压，电容的耐压也要对应的上升一档到35V耐压，方可满足PD3.1的输出电压需求。
充电头网通过拆解发现，随着充电器功率密度的提升，圆柱固态电容通常都会被贴片钽电容等其他高分子电容所替代。贴片电容具有更小的体积，空间利用率高，更加适合高功率密度充电器的应用。
协议芯片控制充电器的输出电压，并提供输出过压及过流保护。我们目前的协议芯片仅有英飞凌、英集芯等少数厂商推出了支持USB PD3.1，28V输出的协议芯片。
支持USB PD3.1的协议芯片相比USB PD3.0的协议芯片，需要采用更高的耐压工艺，EPR扩展功率范围也增加芯片需要处理的内容。超过20V的输出电压，需要EPR线缆配合供电设备以及受电设备全部支持，充电器才会开启高于20V的输出电压，确保使用安全。
PMG1-S3协议芯片集成了USB PD3.1协议，内置ARM M0及M0+处理器，片内集成256K Flash和32K SRAM，支持GPIO引脚，内置通路管驱动电路，用于片内供电的稳压器和引脚高压保护电路。同时PMG1还提供过压过流保护、短路保护和反向电流保护。最新引入的固件保护功能支持安全固件启动和签名固件更新等安全功能。
英集芯IP2736 是一款集成多种协议，用于 USB 端口的快充协议控制 IC，支持多种快充协议，包括 USB TypeC DFP，PD2.0、PD3.1、PPS、EPR 28V、HVDCP QC5、QC4+、QC3+、QC3.0、QC2.0 、FCP 、SCP、AFC、SFCP、MTK PE+2.0/1.1，UFCS、Apple 2.4A、BC1.2 以及 SAMSUNG 2.0A。为适配器、车充等单向输出应用提供完整的解决方案。
USB PD3.1是对现有USB PD3.0的功率升级，让通用的USB PD快充，能够取代掉一些大功率，专用接口的充电器，减少设备换代后无用充电器的数量。通用的充电器可以有效减少充电器数量，还提高充电器使用率，减少无谓的成本和浪费。
140W大功率的充电器相对传统65W小功率的充电器，在内部设计有较大变化。显著来说是PFC将成为必须，高效率拓扑将在小体积充电器上取代传统反激拓扑，以获得更高的效率，更小的体积。今后240W的充电器将要如何设计，我们拭目以待。
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