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有源钳位反激,电源适配器的下一个演进

时间:2018-11-09 作者:邵乐峰 阅读:
电源适配器在小型化过程中正面临很多挑战,例如如何确保每个充电器在满载、半载、轻载以及待机时都能实现高能效?如何在元器件数量减少的情况下,同时兼顾更高功率密度、散热管理与低抗电磁干扰(EMI)?等等。
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电源适配器在小型化过程中正面临很多挑战,例如如何确保每个充电器在满载、半载、轻载以及待机时都能实现高能效?如何在元器件数量减少的情况下,同时兼顾更高功率密度、散热管理与低抗电磁干扰(EMI)?等等。

为帮助用户解决这些问题,安森美推出了自适应有源钳位反激控制器NCP1568和700V半桥驱动器NCP51530,在拓扑结构、性能参数等方面进行了调整。其中,NCP1568 ACF控制器具备先进的功能和灵活的操作,同时使用了SJ FET或GaN FET,且只需少量外部器件就可实现高密度的设计。NCP51530驱动器则是一款高速、高性能、强固的电源方案,包括针对汽车应用的AEC Q-100认证选择。

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安森美USB PD电源适配器方案

安森美半导体模拟方案部交流-直流电源管理高级市场推广经理蒋家亮表示,在传统的反激拓扑架构中,开关包含一个变压器和一个Mosfet,开关时产生的振铃会产生高频EMI。如果不想产生EMI,就需要周边的振铃电路来吸收,吸收掉就等于损耗掉,跑高频越多损耗越多,这就是传统的反激拓扑结构不能跑到高频的主因。

而在使用有源钳位反激架构之后,在上面多加一个Mosfet和一个电容,在同样有吸收能量的地方,当Mosfet关断时,全部能量会存储在电容里,有需要时再重新利用。只要把Mosfet的开关电压设置为零伏,下边的Mosfet就是零伏的电压开关,等于没有损耗。当Mosfet关掉时,可以把EMI损耗的能量全部重新利用,传递到二极管,等于整个电源转换过程不会有损失,这样既可以做高频,也可以实现低EMI,同时还会保持高能效,这就是有源钳位反激架构的优势。

NCP1568关键特性要点着重体现在以下三方面:

控制模式(包括自适应零电压开关频率调制支持可变的Vout、集成自适应死区时间和峰值电流模式控制);非连续导通模式(DCM)及轻载模式(可选过渡至DCM模式;频率返走,最小31kHz的频率钳位;静音跳跃消除可闻噪声;待机功耗小于30Mw);高压(HV)启动(700V HV启动JFET、集成高压开关节点检测以优化ZVS,内置欠压和X2放电)。

在自适应零电压(ZVS)开关方面,由于USB Type-C和USB PD既面向5V手机,也面向20V笔记本市场,所以需要根据功率的不同对负载点开关进行优化,减少开关导通损耗。另一方面,自适应死区的时间也是确保每个周期开关保持最佳状态的方法。NCP1568会监测开关节点,当电压降至12V以下,则在30纳秒(ns)内切换至低边驱动器。如在约 400/600ns内未发生ZVS(OTP选项),则低边驱动强制导通。此外,由于IC需要将周期调到轻载、待机部分,以前反激架构很难做到非常低的待机,可能有声音,通过这一功能,就可以实现静音跳跃消除可闻噪声的效果。

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采用NCP1568 USB PD 65W超高密度演示板的电源适配器尺寸相当于iPhone8手机的1/3。演示板采用超结(SJ)FET,工作模式为有源钳位反激及DCM,满载能效在120V时可以达到94%,在230V时可以达到94.6%。

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NCP1568 USB PD 65W超高密度演示板能效

至于未来氮化镓功率管是不是也适用于有源钳位拓扑?蒋家亮表示,这取决于客户目标。目前氮化镓价格较贵,所以在高密度部分,如果能用普通超结Mosfet做到高密度,那就是首选方案。但他也同时强调说,如果拓扑结构无法适配高频,即便选用氮化镓也是浪费。目前来看,只有有源钳位或者LLC零电压切换的拓扑结构才可以适配高频,所以用户在选择时一定要理性。

下图是NCP51530性能对比图。作为目前全球跑得最快的半桥驱动器,NCP51530从信号到输出的延迟为7纳秒,爬升和下降时间短,驱动器温度保持在45度左右,与NCP1568配合使用,就能够做出高频高密度方案。

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“安森美的IC方案非常有弹性,无论是60瓦、90瓦,甚至可能做27瓦。目前市场比较流行的12瓦标准的充电器,也可以做到27瓦,所以相对来说密度非常高。”蒋家亮说,目前有源钳位反激式拓扑结构还比较新,市场接受程度还不高,正是该拓扑结构推广的机遇。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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