諸如USB-C PD 3.0 100 W可編程電源（PPS）等新興應(yīng)用推動了對更小巧，更緊湊的開關(guān)電源（SMPS）外形尺寸的需求。如圖1所示，提高開關(guān)頻率可以減小變壓器體積，但是更高的開關(guān)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(guān)驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)SMPS適配器較大變壓器。移植到準(zhǔn)諧振（QR）反激會使開關(guān)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(dá)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(guān)，實現(xiàn)更小的變壓器體積。

圖1增加開關(guān)頻率可以減小變壓器的體積，但是更高的開關(guān)頻率會增加功耗。資料來源：安森美半導(dǎo)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?fù)?，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(guān)（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(guān)閉電源開關(guān)時，能量才從初級傳遞到次級。

 

圖2反激式拓?fù)湓诖渭墏?cè)包括一個變壓器，一個電源開關(guān)和一個二極管。資料來源：安森美半導(dǎo)體

 

反激工作方式

 

當(dāng)電源開關(guān)（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(kuò)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(dāng)電源開關(guān)關(guān)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(guān)處于打開狀態(tài)（左）和關(guān)閉（右）時的反激式操作。資料來源：安森美半導(dǎo)體

 

反激式漏電感

 

不幸的是，當(dāng)電源開關(guān)（Q1）斷開時，初級側(cè)漏電感（LLkg）與電源開關(guān)的漏源電容Cdss相互作用，導(dǎo)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(hù)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(hù)MOSFET 資料來源：安森美半導(dǎo)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(dǎo)體

 

波谷切換和準(zhǔn)諧振反激

 

在次級側(cè)電流（ISEC）達(dá)到零或不連續(xù)模式（DCM）之后，由于勵磁電感和開關(guān)節(jié)點電容之間的諧振，Q1電源開關(guān)VDS可能會出現(xiàn)振蕩（圖6）。這些振蕩形成波谷。QR開關(guān)將尋找下一個波谷，以便下次打開電源開關(guān)。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(guān)可能表現(xiàn)出谷底開關(guān)振蕩。資料來源：安森美半導(dǎo)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(hù)電源開關(guān)（Q1）。

 

圖7 ACF架構(gòu)提高了電源效率。資料來源：安森美半導(dǎo)體

 

ACF體系結(jié)構(gòu)可以將泄漏電感循環(huán)回負(fù)載。參考圖8的相對時序圖，電源開關(guān)（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?fù)值，現(xiàn)在VCLAMP通過Q3將漏電感放電回到負(fù)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(dǎo)體

 

從T9到T10，有源鉗位（Q3）在下一個Q1導(dǎo)通時間將VDS穩(wěn)定在0V，這稱為零電壓開關(guān)（ZVS）。如果在ZVS，則FET電容為零。因此，導(dǎo)通開關(guān)損耗為零，效率更高。這是一種軟開關(guān)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(dāng)ICLAMP變?yōu)樨?fù)值時，磁通密度增加，從而導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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?fù)洌▓D9），從而使ZVS能夠用于高效，高頻和高功率密度應(yīng)用。不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）操作可在待機(jī)功率<30 mW的輕負(fù)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(yīng)具有較小的延遲，并適合高達(dá)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(dǎo)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(guān)頻率，這主要是由于GaN的寄生電容較低。當(dāng)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(dǎo)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(jìn)）設(shè)置，以及高達(dá)50A的可編程電流（以50mA步進(jìn)）（表1）。PPS的優(yōu)勢在于該源可提供更精細(xì)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(jìn)）和高達(dá)5A（50mA步進(jìn)）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(jī)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(dǎo)體

 

圖12說明了安森美半導(dǎo)體采用USB-C PD 3.0和PPS的29 W / in3、60 W ACF參考設(shè)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(guān)（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(jī)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(shè)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(dǎo)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(dá)到25％，50％，75％和100％，開關(guān)頻率高達(dá)450kHz?？梢钥吹?，從5V輸出到20V輸出4點平均的NCP1568 115 Vac（藍(lán)線）和230 Vac（綠線）遠(yuǎn)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(dǎo)體

 

許多應(yīng)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(dá)92％的4點效率。而且，如果應(yīng)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）