【導讀】諸如USB-C PD 3.0 100 W可編程電源(PPS)等新興應用推動了對更小巧,更緊湊的開關電源(SMPS)外形尺寸的需求。如圖1所示,提高開關頻率可以減小變壓器體積,但是更高的開關頻率則會增加功耗,從而需要不斷發(fā)展的反激式架構(gòu)。
諸如USB-C PD 3.0 100 W可編程電源(PPS)等新興應用推動了對更小巧,更緊湊的開關電源(SMPS)外形尺寸的需求。如圖1所示,提高開關頻率可以減小變壓器體積,但是更高的開關頻率則會增加功耗,從而需要不斷發(fā)展的反激式架構(gòu)。
?100 kHz的固定頻率/多模式反激式開關驅(qū)動標準SMPS適配器較大變壓器。移植到準諧振(QR)反激會使開關頻率增加到?280 kHz,從而將變壓器減小到較小的RM8尺寸。采用有源鉗位反激式(ACF)可使達到?450 kHz,從而實現(xiàn)外形較小的RM8LP變壓器。最后,用氮化鎵(GaN)代替硅結(jié)(SJ)FET可實現(xiàn)> 600 kHz的開關,實現(xiàn)更小的變壓器體積。
圖1增加開關頻率可以減小變壓器的體積,但是更高的開關頻率會增加功耗。資料來源:安森美半導體
反激式電源
反激是中低功率AC-DC轉(zhuǎn)換器的一種流行拓撲,主要是因為它的低成本和易用性。反激式假定為DC輸入,并在次級側(cè)包含一個變壓器,一個電源開關(Q1)和一個二極管(圖2)。變壓器(其中的點表示初級側(cè)與次級側(cè)異相180°)是一個耦合電感器,只有在關閉電源開關時,能量才從初級傳遞到次級。
圖2反激式拓撲在次級側(cè)包括一個變壓器,一個電源開關和一個二極管。資料來源:安森美半導體
反激工作方式
當電源開關(Q1)接通(圖3,左)時,電流從Vin流出,能量存儲在初級側(cè)和次級側(cè)(磁通場擴展)電感器中。電流不會在次級側(cè)線圈中流動,因為二極管會由于180º的反相而反向偏置。
當電源開關關閉時(圖3,右),初級和次級磁通場都開始消除,初級側(cè)的極性發(fā)生變化(反激作用),二極管正向偏置,電流在次級側(cè)流動,。
圖3該圖顯示了電源開關處于打開狀態(tài)(左)和關閉(右)時的反激式操作。資料來源:安森美半導體
反激式漏電感
不幸的是,當電源開關(Q1)斷開時,初級側(cè)漏電感(LLkg)與電源開關的漏源電容Cdss相互作用,導致VDS上出現(xiàn)過多振鈴,這會損壞MOSFET(左圖4)。可以添加一個稱為緩沖器的無源電阻電容二極管RCD鉗位來保護MOSFET(圖4,右)。緩沖器將LLkg能量從MOSFET漏極移動到緩沖器電容器(CC),并通過RC散發(fā)熱量。緩沖器不能提高整體反激效率。
圖4添加RCD緩沖器可以保護MOSFET 資料來源:安森美半導體
次級側(cè)的同步整流器
用MOSFET(圖5中的Q2,右)替換“續(xù)流”二極管(圖5,左)可提高次級側(cè)效率。 MOSFET的RDSON耗散的功率比硅二極管(0.6V正向偏置)甚至肖特基(0.3V)二極管要少得多。
圖5在次級側(cè)添加SR MOSFET可以提高效率。資料來源:安森美半導體
波谷切換和準諧振反激
在次級側(cè)電流(ISEC)達到零或不連續(xù)模式(DCM)之后,由于勵磁電感和開關節(jié)點電容之間的諧振,Q1電源開關VDS可能會出現(xiàn)振蕩(圖6)。這些振蕩形成波谷。QR開關將尋找下一個波谷,以便下次打開電源開關。簡而言之,在峰值期間打開Q1會增加功耗,而在波谷值期間打開Q1則會降低功耗。
圖6電源開關可能表現(xiàn)出谷底開關振蕩。資料來源:安森美半導體
有源鉗位反激(ACF)
用MOSFET(Q3)替換鉗位二極管(圖7,左)可以提高效率(圖7,右),并保護電源開關(Q1)。
圖7 ACF架構(gòu)提高了電源效率。資料來源:安森美半導體
ACF體系結(jié)構(gòu)可以將泄漏電感循環(huán)回負載。參考圖8的相對時序圖,電源開關(Q1)在T0接通,在T2斷開。在T2處,漏感(ICLAMP)開始流過有源鉗位(Q3)體二極管,為鉗位電容器(VCLAMP)充電。在T4,Q3打開,繼續(xù)VCLAMP充電。在T5處,ICLAMP變?yōu)樨撝担F(xiàn)在VCLAMP通過Q3將漏電感放電回到負載,直到T7。
圖8該相對時序圖中顯示了ACF泄漏電感的再循環(huán)。資料來源:安森美半導體
從T9到T10,有源鉗位(Q3)在下一個Q1導通時間將VDS穩(wěn)定在0V,這稱為零電壓開關(ZVS)。如果在ZVS,則FET電容為零。因此,導通開關損耗為零,效率更高。這是一種軟開關形式,也有利于EMI。
ACF的缺點
ACF有兩個缺點。再參考圖8,從T5到T7的相對時序,當ICLAMP變?yōu)樨撝禃r,磁通密度增加,從而導致有源鉗位鐵芯損耗與之相比略高。圖4的RCD緩沖器。另一個缺點是ICLAMP在Q1關斷時間內(nèi)流入變壓器的初級繞組。這增加了初級繞組損耗。
安森美半導體的NCP1568是一款高度集成的AC-DC脈寬調(diào)制(PWM)控制器,旨在實現(xiàn)ACF拓撲(圖9),從而使ZVS能夠用于高效,高頻和高功率密度應用。不連續(xù)傳導模式(DCM)操作可在待機功率<30 mW的輕負載條件下實現(xiàn)高效率。
NCP1568 LDRV輸出能夠直接驅(qū)動市場上大多數(shù)超結(jié)(SJ)MOSFET,而無需外部組件。 ADRV驅(qū)動器是5V邏輯電平驅(qū)動器,用于將驅(qū)動信號發(fā)送到NCP51530等高壓驅(qū)動器。高壓驅(qū)動器應具有較小的延遲,并適合高達400 kHz的工作頻率。
圖9 NCP1568 ACF驅(qū)動超結(jié)MOSFET Q1。資料來源:安森美半導體
ACF驅(qū)動GaN
用于GaN晶體管的SJ MOSFET可以實現(xiàn)更快的開關頻率,這主要是由于GaN的寄生電容較低。當然,GaN的成本要高于SJ FET。Navitas Semiconductor的NV6115驅(qū)動器接受來自12V或5V驅(qū)動器的輸入信號。驅(qū)動器調(diào)節(jié)已在GaN內(nèi)部完成。圖10的配置顯示了來自NCP1568和NCP51530的驅(qū)動信號以滿足系統(tǒng)需求。
圖10 NCP1568 ACF驅(qū)動NV6115 GaN功率晶體管。資料來源:安森美半導體
USB-C供電2.0與3.0 PPS
USB-C PD源最多可以播報七個電源數(shù)據(jù)對象(PDO),用于將源端口的電源功能公開給支持PD的接收器。PD 2.0 PDO是固定的,而PD 3.0 PDO是從3.3V到21V的可編程電壓(20mV步進)設置,以及高達50A的可編程電流(以50mA步進)(表1)。PPS的優(yōu)勢在于該源可提供更精細的電壓/電流粒度,從而提高USB-C源與散熱之間的效率。
表1 USB-C PD 2.0與3.0 PPS
FUSB3307是完全自主的PD 3.0 v1.2和C型v1.3、100 W、源控制器,能夠提供3.3-21V(20mV步進)和高達5A(50mA步進)的VBUS,最高可提供七個固定和PPS PDO。FUSB3307是不帶MCU的低成本硬件狀態(tài)機解決方案。無需開發(fā)固件,可以加快產(chǎn)品上市時間,并提供防篡改的全功能解決方案。
FUSB3307控制通過光耦合器的CATH引腳電流,向初級側(cè)控制器提供反饋以調(diào)節(jié)VBUS電壓。
圖11 FUSB3307 PD 3.0 PPS控制器是防篡改的全功能解決方案。資料來源:安森美半導體
圖12說明了安森美半導體采用USB-C PD 3.0和PPS的29 W / in3、60 W ACF參考設計。 NCP1568 ACF(U2)通過NCP51530(U7)3.5 A,700V半橋驅(qū)動器控制SJ電源開關(Q1)和SJ有源鉗位(Q2)。NCP4306(U5),7A(漏極),2A(源極)柵極驅(qū)動器用于同步整流器控制。FUSB3307(子板2的U1)是基于狀態(tài)機的USB-C PD 3.0端口控制器,可通過FODM8801BV(U8)光耦合器控制NCP1568 FB輸入及其CATH輸出來調(diào)節(jié)VBUS(5-20V)。
圖12這種60 W USB-C PD 3.0 PPS參考設計包含NCP1568 ACF,NCP51530驅(qū)動器,NCP4306控制器,F(xiàn)USB3307控制器和FODM8801BV光耦合器。資料來源:安森美半導體
圖13的4點平均效率圖的每個數(shù)據(jù)點都捕獲了以下四個額定功率輸出的平均效率。使用超結(jié)MOSFET達到25%,50%,75%和100%,開關頻率高達450kHz??梢钥吹剑瑥?V輸出到20V輸出4點平均的NCP1568 115 Vac(藍線)和230 Vac(綠線)遠高于DoE要求的VI級最低限制(紅線) 。
圖13該4點平均效率圖顯示NCP1568超過了DoE Level VI的最低限制。資料來源:安森美半導體
許多應用都對UHD電源提出了很高的要求,包括100 W USB-C PD 3.0 PPS。ACF是在成本和性能之間實現(xiàn)最佳平衡的首選架構(gòu)。這是因為在不增加GaN成本的情況下,可以獲得29 W / in3的功率密度,最高可達92%的4點效率。而且,如果應用允許更高的成本和更高的效率,那么ACF也可以驅(qū)動GaN,以實現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。
(來源:安森美,作者:鮑勃·卡德(Bob Card),安森美北美高級解決方案部門(ASG)的市場經(jīng)理)
(來源:安森美,作者:鮑勃·卡德(Bob Card),安森美北美高級解決方案部門(ASG)的市場經(jīng)理)
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