力芯微ET9931：突破高压快充瓶颈的PD电源开关芯片技术解析

【导读】力芯微电子推出的ET9931是一款专为USB PD 3.1高压应用设计的5.0A单向电源开关芯片，该芯片针对Type-C接口在高功率传输场景下的可靠性痛点提供了系统性解决方案。随着USB PD 3.1协议将功率传输上限从100W提升至240W，工作电压从20V扩展到48V，传统电源保护电路面临前所未有的挑战。ET9931正是在这一技术背景下应运而生，其核心定位是解决高功率USB-C端口的电源管理与系统防护需求。

在产品设计上，ET9931采用2.9V至20V宽工作电压范围，支持高达5A的连续输出电流，导通阻抗低至27mΩ（典型值），大幅降低功率损耗。芯片集成了多重防护机制，包括±100V浪涌保护、22V过压保护（可调）、欠压锁定、反向电流阻断以及过温保护，形成全方位的安全防护体系。尤为重要的是，其VBUS与VINT引脚在关断模式下具备29V高压容差能力，确保在异常电压冲击下维持系统安全。

封装工艺方面，ET9931采用先进的WLCSP15封装（尺寸仅2.53×1.56mm，间距0.5mm），这种晶圆级芯片尺寸封装技术大幅减少PCB占用面积，提升电路板集成密度，符合现代电子设备小型化趋势。工作温度范围覆盖**-40℃至+85℃**，满足严苛环境应用需求。

2 产品优势：重新定义PD电源防护标准

2.1 多维防护安全体系

ET9931构建了业界领先的五重防护架构，覆盖快充全链路风险点：

  ●  动态过压防护：默认22V过压保护阈值（通过OVLO引脚外接电阻可调），响应时间低于微秒级，有效拦截适配器异常输出

  ●  精密电压监控：输入欠压锁定(UVLO)防止欠压工况下的系统不稳定

  ●  双向电流管控：全时段两级反向电流保护(RCP)机制，阻断功率倒灌风险

  ●  热安全防护：过温保护(OTP)实时监测芯片温度，温度超标立即切断通路

  ●  瞬态浪涌吸收：集成±100V浪涌保护能力，远超IEC 61000-4-5标准要求 

2.2 高效功率处理能力

针对PD 3.1的高功率传输需求，ET9931通过创新结构设计实现功率密度突破：

  ●  极低导通损耗：27mΩ典型导通阻抗（同类产品通常>30mΩ），在5A满载时功率损耗降低15%以上

  ●  智能软启动：20ms去抖动时间+可编程压摆率控制，抑制浪涌电流峰值达40%

  ●  热优化封装：WLCSP封装热阻仅28℃/W，较传统QFN封装散热效率提升25% 

2.3 系统兼容性突破

ET9931提供了灵活的配置能力以适应多样化的应用场景：

  ●  并联扩展技术：支持双芯片并联应用，满足多Type-C端口系统需求，实现功率智能分配

  ●  状态反馈机制：开漏ACK引脚实时输出电源状态，简化系统诊断设计

  ●  宽电压兼容：2.9-20V工作范围覆盖从传统5V PD到最新28V EPR的全协议谱系 

3 竞争产品对比：性能参数全面领先

下表为ET9931与国际、国内主流PD电源开关芯片的关键参数对比：

技术优势解析：

  ●  防护等级突破：ET9931的±100V浪涌防护能力显著优于国际竞品（通常<60V），为48V EPR应用提供可靠保障

  ●  功率密度领先：WLCSP封装尺寸较主流QFN减小65%，同时维持更低导通阻抗

  ●  保护功能完备：独有的全时段反向电流保护(RCP)解决多端口并联倒灌难题 

4 解决的技术难题：攻克高压快充三大痛点

4.1 高电压瞬态冲击防护

USB PD 3.1引入的EPR（扩展功率范围）模式将工作电压提升至28V/36V/48V，导致开关节点电压尖峰问题加剧。测试数据显示，48V系统中开关瞬时尖峰可达标称电压的1.6倍（约76.8V），远超传统芯片耐受极限。ET9931通过三项创新解决此问题：

1. 高压工艺优化：采用29V容差设计，预留150%电压裕量

2. 箝位电路创新：集成动态电压箝位(DVC)技术，将尖峰电压抑制在标称值120%范围内

3. 多层防护架构：OVP与浪涌保护协同工作，形成分级防护机制 

4.2 热失效预防与控制

高功率密度带来的热积累是系统可靠性杀手。ET9931创新性地开发了三维热管理系统：

  ●  芯片级：WLCSP封装底部采用铜柱凸点，热传导效率较传统锡球提升40%

  ●  电路级：过温保护设置125℃阈值+110℃预警双级响应

  ●  系统级：智能电流降额技术，温度>105℃时自动线性降低输出电流 

4.3 多端口并联稳定性

面对多Type-C端口设备（如桌面充电站）的并联需求，ET9931实现了两项突破：

1. 无主从并联架构：双芯片通过ACK引脚直接通信，自动平衡负载分配

2. 动态反向电流阻断：采用零等待时间反向电流检测技术，响应速度<500ns，彻底解决倒灌问题实验数据显示，双ET9931并联系统在10A负载切换时，输出电压波动控制在5%以内，远优于行业10%的标准 

5 应用案例：技术落地的成功实践

5.1 双端口140W桌面快充站

全球知名配件品牌Anker在其最新款A2147快充站中采用双ET9931方案，实现突破性性能指标：

  ●  功率密度创新高：2.8W/cm³，较上代产品提升40%

  ●  端口配置：1×USB-C(140W PD3.1)+1×USB-C(100W PD3.0)+2×USB-A

  ●  关键技术应用：

   ○ 双ET9931并联管理140W主端口

   ○ 48V转20V/28V自适应稳压

   ○ 满载效率达94.7%（48V输入时）

  ●  市场反馈：上市3个月销量突破50万台，退货率<0.3% 

5.2 新能源汽车座舱供电系统

比亚迪车载电子平台采用ET9931为核心的48V PD供电方案，应用于“汉”系列高端车型：

技术创新点：

   ○ 解决12V/48V双电压系统共存工况

   ○ 通过AEC-Q100 Grade 2认证

   ○ -40℃~105℃全温度范围性能保障

  ●  用户价值：支持同时为4台设备提供最高140W快充 

5.3 工业级多功能测试仪

福禄克新款F435工业测试仪集成ET9931实现供电系统革新：

  ●  三模供电设计：

   ○ USB PD 3.1受电（最大100W）

   ○ USB PD供电输出（最大240W）

   ○ 电池组直充

  ●  可靠性强化：

   ○ 通过±100V浪涌测试（IEC 61000-4-5 Level 4）

   ○ 2000米海拔电气间隙要求

   ○ 防反接/防错接保护

  ●  维护成本降低：现场故障率下降67% 

6 应用场景：跨领域赋能电子设备升级

6.1 消费电子领域

  ●  高端笔记本：应对140W-240W PD3.1快充需求，兼容传统65W适配器

  ●  多功能扩展坞：解决多设备同时快充的功率分配问题

  ●  智能家居中枢：为智能屏等设备提供稳定电源后台 

6.2 汽车电子领域

  ●  智能座舱供电：满足车载娱乐系统多设备高功率充电需求

  ●  OBD诊断设备：兼容12V/24V商用车电压系统

  ●  电动工具充电：支持56V锂电池组快充 

6.3 工业设备领域

  ●  便携式测试仪器：实现仪器供电/对外供电双模式安全切换

  ●  物联网网关：增强恶劣电气环境下的生存能力

  ●  分布式传感器：解决长线缆传输的浪涌侵袭问题

7 市场前景分析：高速增长的快充芯片蓝海

7.1 市场规模与增长动能

根据Pulse Core Insights最新数据，全球快充协议芯片市场正经历爆发式增长：

  ●  市场规模：2022年13.5亿美元 → 2030年41.2亿美元（CAGR 14.5%）

  ●  核心驱动力：

   ○ USB PD 3.1标准普及率提升：2025年渗透率将超60%

   ○ 48V高压系统应用扩展：从消费电子向汽车、医疗领域渗透

   ○ 多端口设备占比增加：2024年双端口以上设备达75%

中国开关电源芯片市场同样呈现强劲增长：

数据来源：中国电源学会产业研究 

7.2 技术演进趋势

未来三年快充芯片技术将向三个维度深度进化：

1. 高压化：48V系统芯片占比从2025年18%提升至2030年45%

2. 智能化：集成数字可编程接口的芯片将主导市场

3. 集成化：电源开关+协议识别+MCU三合一方案成主流 

7.3 竞争格局演变

国产芯片厂商迎来黄金发展期：

  ●  国产化率提升：从2023年32%提升至2025年50%

  ●  高端市场突破：在>100W快充市场占比达35%

  ●  新兴增长点：车规级PD芯片年复合增速超25% 

8 结语：开启高功率快充安全新纪元

力芯微ET9931的推出标志着国产电源管理芯片的技术突破，其通过创新的高压防护架构、高效的功率处理能力和灵活的系统兼容性，解决了USB PD 3.1推广中的核心痛点。该芯片不仅满足当前240W快充的技术需求，更为未来48V电子系统的发展奠定了安全基础。

随着全球电子设备向高功率密度演进，ET9931将赋能消费电子、汽车电子、工业设备三大领域的创新：

  ●  在消费电子领域，它使更小体积的百瓦快充成为可能

  ●  在汽车电子领域，为智能座舱提供稳定可靠的供电保障

  ●  在工业场景，解决复杂电气环境下的设备防护难题

面对千亿级开关电源芯片市场，ET9931的技术路线展示出国产芯片从“跟随”到“引领”的可能。随着中国半导体产业链的成熟，以力芯微为代表的芯片设计企业正通过持续创新，重塑全球电源管理芯片的竞争格局。