基于USB-C PD 3.0有源鉗位反激的開關(guān)電源方案

諸如USB-C PD 3.0 100 W可編程電源（PPS）等新興應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)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(huì)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)SMPS適配器較大變壓器。移植到準(zhǔn)諧振（QR）反激會(huì)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(shí)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(shí)現(xiàn)> 600 kHz的開關(guān)，實(shí)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(huì)增加功耗。資料來(lái)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?yàn)樗牡统杀竞鸵子眯?。反激式假定為DC輸入，并在次級(jí)側(cè)包含一個(gè)變壓器，一個(gè)電源開關(guān)（Q1）和一個(gè)二極管（圖2）。變壓器（其中的點(diǎn)表示初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)異相180°）是一個(gè)耦合電感器，只有在關(guān)閉電源開關(guān)時(shí)，能量才從初級(jí)傳遞到次級(jí)。

圖2反激式拓?fù)湓诖渭?jí)側(cè)包括一個(gè)變壓器，一個(gè)電源開關(guān)和一個(gè)二極管。資料來(lái)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(shí)，電流從Vin流出，能量存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)（磁通場(chǎng)擴(kuò)展）電感器中。電流不會(huì)在次級(jí)側(cè)線圈中流動(dòng)，因?yàn)槎O管會(huì)由于180o的反相而反向偏置。

當(dāng)電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)（圖3，右），初級(jí)和次級(jí)磁通場(chǎng)都開始消除，初級(jí)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(jí)側(cè)流動(dòng)，。

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(shí)的反激式操作。資料來(lái)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(shí)，初級(jí)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(guò)多振鈴，這會(huì)損壞MOSFET（左圖4）。可以添加一個(gè)稱為緩沖器的無(wú)源電阻電容二極管RCD鉗位來(lái)保護(hù)MOSFET（圖4，右）。緩沖器將LLkg能量從MOSFET漏極移動(dòng)到緩沖器電容器（CC），并通過(guò)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(lái)源：安森美半導(dǎo)體

次級(jí)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(jí)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(jí)側(cè)添加SR MOSFET可以提高效率。資料來(lái)源：安森美半導(dǎo)體

波谷切換和準(zhǔn)諧振反激

在次級(jí)側(cè)電流（ISEC）達(dá)到零或不連續(xù)模式（DCM）之后，由于勵(lì)磁電感和開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容之間的諧振，Q1電源開關(guān)VDS可能會(huì)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(gè)波谷，以便下次打開電源開關(guān)。簡(jiǎn)而言之，在峰值期間打開Q1會(huì)增加功耗，而在波谷值期間打開Q1則會(huì)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(lái)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(lái)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(duì)時(shí)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(guò)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(guò)Q3將漏電感放電回到負(fù)載，直到T7。

圖8該相對(duì)時(shí)序圖中顯示了ACF泄漏電感的再循環(huán)。資料來(lái)源：安森美半導(dǎo)體

從T9到T10，有源鉗位（Q3）在下一個(gè)Q1導(dǎo)通時(shí)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(diǎn)

ACF有兩個(gè)缺點(diǎn)。再參考圖8，從T5到T7的相對(duì)時(shí)序，當(dāng)ICLAMP變?yōu)樨?fù)值時(shí)，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(gè)缺點(diǎn)是ICLAMP在Q1關(guān)斷時(shí)間內(nèi)流入變壓器的初級(jí)繞組。這增加了初級(jí)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(shí)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(shí)現(xiàn)高效率。

NCP1568 LDRV輸出能夠直接驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)上大多數(shù)超結(jié)（SJ）MOSFET，而無(wú)需外部組件。 ADRV驅(qū)動(dòng)器是5V邏輯電平驅(qū)動(dòng)器，用于將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到NCP51530等高壓驅(qū)動(dòng)器。高壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)超結(jié)MOSFET Q1。資料來(lái)源：安森美半導(dǎo)體

ACF驅(qū)動(dòng)GaN

用于GaN晶體管的SJ MOSFET可以實(shí)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(dòng)器接受來(lái)自12V或5V驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)已在GaN內(nèi)部完成。圖10的配置顯示了來(lái)自NCP1568和NCP51530的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以滿足系統(tǒng)需求。

圖10 NCP1568 ACF驅(qū)動(dòng)NV6115 GaN功率晶體管。資料來(lái)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(bào)七個(gè)電源數(shù)據(jù)對(duì)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(shì)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(gè)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(wú)需開發(fā)固件，可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并提供防篡改的全功能解決方案。

FUSB3307控制通過(guò)光耦合器的CATH引腳電流，向初級(jí)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(lái)源：安森美半導(dǎo)體

圖12說(shuō)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(jì)。 NCP1568 ACF（U2）通過(guò)NCP51530（U7）3.5 A，700V半橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guò)FODM8801BV（U8）光耦合器控制NCP1568 FB輸入及其CATH輸出來(lái)調(diào)節(jié)VBUS（5-20V）。

圖12這種60 W USB-C PD 3.0 PPS參考設(shè)計(jì)包含NCP1568 ACF，NCP51530驅(qū)動(dòng)器，NCP4306控制器，F(xiàn)USB3307控制器和FODM8801BV光耦合器。資料來(lái)源：安森美半導(dǎo)體

圖13的4點(diǎn)平均效率圖的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都捕獲了以下四個(gè)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(diǎn)平均的NCP1568 115 Vac（藍(lán)線）和230 Vac（綠線）遠(yuǎn)高于DoE要求的VI級(jí)最低限制（紅線） 。

圖13該4點(diǎn)平均效率圖顯示NCP1568超過(guò)了DoE Level VI的最低限制。資料來(lái)源：安森美半導(dǎo)體

許多應(yīng)用都對(duì)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(shí)現(xiàn)最佳平衡的首選架構(gòu)。這是因?yàn)樵诓辉黾覩aN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(diǎn)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(dòng)GaN，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。
(來(lái)源：安森美，作者：鮑勃·卡德（Bob Card），安森美北美高級(jí)解決方案部門（ASG）的市場(chǎng)經(jīng)理）
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