硬件|USB PD3.1快充给电容行业带来哪些机遇和挑战？_USB|PD3.1快充给电容行业带来哪

2000年， USB2.0发布，伴随发布的还有5V充电规范，凭借着优秀的通用性，这个接口首先在电脑上得到大规模普及，电脑外设得到飞速发展。2007年， USB-IF推出了microUSB接口，将5V充电带入了更多数码设备，如mp3、mp4、手机等，这时输出端电容采用6.3V-10V即可满足需求。

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2014年，高通推出了QC2.0快充，将手机带入了9V快充时代，标志着手机充电器固态电容全面进入16V时代，加速了固态电容在快充中的全面应用。

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2017年，苹果推出了16寸的MacBook Pro ，随之标配了一个87W快充，这个快充支持20V输出，也标志着25V固态电容在快充中的批量应用。

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2021年， USB-IF发布了最新USB PD3.1快充标准， USB-C接口电压上限从20V新增了28V、36V、48V等多个档位；输出端电容器需要35-100V才能满足设计需求。
下面一张图回顾输出滤波电容历史和选型表。

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21年间，充电器输出端电容器耐压从6.3V暴涨到100V ，足足提升了15倍。那么USB PD3.1快充标准发布，将给电容行业带来哪些机遇和挑战？

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USB PD3.0凭借着强大的兼容性，多电压输出的优势，出货量非常大，目前已经占据了市场的绝大多数份额。新技术比如第三代半导体，新工艺例如平面变压器及更新的散热材料也都第一时间应用在充电器上，很多曾经是使用专用充电器的设备，也开始使用PD充电器供电。

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但USB PD3.0最大20V 5A 100W的输出，已经不能满足高性能计算设备和大功率快充的供电了，所以USB IF推出了USB PD3.1标准，支持48V 5A ， 240W输出，可承载更高的功率，扩展更多的使用场合。

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USB PD3.1标准，功率的提升和体积的要求，对电源中最重要的被动元件，电容带来了全新的要求。电容在充电器中起到滤波的作用，充电器的可靠性、输出质量以及寿命与电容的质量息息相关。根据市场的发展趋势， USB PD3.1也会走小体积高密度路线，这意味着对电容的要求还会提高。
初级PFC升压滤波电容
首先是开关电源要通过高频率来做到小体积，还要使用PFC电路来减小初级电解电容的体积。假设不使用PFC电路，考虑到宽电压范围输入，对于USB PD3.1的最大240W输出功率来说，初级电容可能需要470μF到500μF的容量。大容量电容巨大的体积这对于便携式电源是几乎不可实现的。

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图为日化450V390μF电解电容，直径为30mm 。其在一款550W的服务器电源中应用，若在未使用PFC的宽压输入电源使用时，只能支持200W的输出功率。
好在PFC对于大功率电源是强制要求加入的， PFC的加入首先可以实现功率因数校正的一个效果，减小充电器初级开关对电网的干扰，另外还有一个优点就是可以显著的减少初级电容的容量。
因为PFC为升压电路，通常不使用PFC的话，初级电容上电压为310V左右，使用PFC以后，电压可达到390V ，可降低电容容量需求，从2μF/W减小到1μF/W或更小，既从500μF的容量下降到200μF ，从而大幅减小体积。

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通常，在充电器中，还会选择多颗小容量的电容并联，来提高空间利用率，降低使用大尺寸电容带来的空间浪费，并且充分合理的利用充电器内部空间。
【硬件|USB PD3.1快充给电容行业带来哪些机遇和挑战？】PFC的加入，对初级滤波电解的耐压要求增高，能在高压高温下稳定可靠的工作，成为了新的难题。并且为了减小体积， LLC开关的频率也要提高，在有限的体积内，对电容的内阻、损耗、耐压、漏电流都提出了新的高要求。

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USB PD3.1大功率电源，将会对高耐压高纹波电流电容的市场带来利好。在电源中，为了提高功率密度，电源厂家将会选用小型化，高耐压，低损耗，低漏电流，高可靠性的电容来作为主电容。
PWM主控芯片供电电容
除去输入端的高压滤波电容，为开关电源初级PWM主控芯片供电滤波的电容也同样重要。为PWM主控芯片供电的电容通常容量较小，并且放置在变压器或者散热片附近，长期受高温加热，电容老化损坏也会造成电源不能正常工作。
对于高端电源，会使用耐高温的聚合物钽电容或者耐高温的电解电容，确保高温下足够的寿命，来为PWM芯片提供稳定的供电，保证电源的稳定运行。

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图为联想YOGA CC130 双口氮化镓充电器中使用的VISHAY T50系列聚合物钽电容，支持125℃宽温， 25V33μF两颗并联。

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图为永铭LMM系列105℃长寿命电解电容，具有8000小时寿命，可在主控芯片供电滤波中应用。

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图为红宝石RX30系列电解电容，耐高温130℃ ，相比105℃电容在相同温度下可提供更长的寿命。
次级同步整流滤波电容
USB PD3.1最大48V的输出电压，也对次级滤波固态电容提出了更高的要求。传统20V输出的USB PD3.0 ，使用25V耐压的电容即可满足耐压需求，而48V输出电压，则需要耐压63V的电容。输出电压的提升，对电容的体积，漏电流，纹波电流都提出了全新的要求。
根据使用场合的不同，充电器一般分为两种，一种是输入插线，输出带线的笔记本原装电源，体积较大，内部空间也较大，可使用低阻电解电容滤波，使用较大的容量来获得较低的输出纹波。

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联想300W游戏本充电器，电源不带输入线的重量为880克， 20V输出采用6颗日化470μF25V电解电容并联滤波。
另外一种是极致追求小体积的充电器，内部通常使用氮化镓开关管，搭配平面变压器，高开关频率。这种充电器一般都会使用固态电容进行输出滤波，一是因为固态电容的频率特性适合高频应用，另外固态电容的阻抗更低，可以用相对少的容量，满足输出纹波要求。

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在48V输出电压下，至少需要使用63V的电容进行输出滤波。考虑到小体积要求，开关电源的开关频率将达到数百KHz ，对电容的高频性能有一定要求。考虑到稳定性和可靠性，通常会使用固态电容来提供稳定可靠的输出。目前国内有多个厂家已推出高耐压高可靠性固态电容，迎接USB PD3.1的到来。
充电头网总结
USB PD3.1的功率提升，就是充电器输出功率提升，归根结底就是输出电压和电流的提升。输出功率的提升，必然要对电容器件带来新的要求，尤其是25V-100V的电容应用出现。包括耐压，内阻，漏电流，纹波电流能力，这些相比之前的应用环境都有了更高的要求。
而能满足这些新要求的电容品牌，就能在第一时间享受到USB PD3.1出货带来的市场红利，抢占市场先机，完成高端化品牌布局。
伴随着USB PD3.1的推出， 240W的输出功率，能够满足一部分大功率设备的需求。当用户体验到一个通用充电器取代多个传统专用充电器的方便，空间节省以及垃圾的变少，高效率和小体积时，传统的充电格局将发生重大改变。