諸如USB-C PD 3.0 100 W可編程電源（PPS）之類的新興應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)更小，更緊湊的開關(guān)模式電源（SMPS）外形尺寸（通常稱為超高密度（UHD））的需求。如您在圖1中所見，提高開關(guān)頻率可以減小變壓器的體積，從而有益于UHD，但是更高的開關(guān)頻率會(huì)增加功耗，從而需要不斷發(fā)展的反激式架構(gòu)。

約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適配器中的較大變壓器。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）可使您達(dá)到?450 kHz，從而實(shí)現(xiàn)了外形較小的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)，甚至更小的變壓器體積。

圖1增加開關(guān)頻率可減小變壓器體積，但更高的開關(guān)頻率會(huì)增加功耗。資料來源：安森美半導(dǎo)體

反激式介紹

反激是低功率和中功率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（點(diǎn)表示初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)異相1800）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。資料來源：安森美半導(dǎo)體

反激操作

當(dāng)電源開關(guān)（Q1）接通時(shí)（圖3左），電流從Vin流出，導(dǎo)致能量存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)（磁通場擴(kuò)展）電感器中。電流不會(huì)流過次級(jí)，因?yàn)槎O管由于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)磁通場都開始塌陷，初級(jí)側(cè)的極性發(fā)生變化（反激作用），現(xiàn)在電流在次級(jí)側(cè)流動(dòng)，因?yàn)槎O管正向偏置。

圖3此圖顯示了電源開關(guān)打開（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的反激式操作。資料來源：安森美半導(dǎo)體

反激式漏感

不幸的是，當(dāng)電源開關(guān)（Q1）關(guān)斷時(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出現(xiàn)過多振鈴，從而損壞MOSFET（圖4，剩下）?？梢蕴砑右粋€(gè)稱為緩沖電路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(dòng)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緩沖器可保護(hù)MOSFET。資料來源：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）二極管低得多。

圖5在次級(jí)側(cè)添加SR MOSFET可提高效率。資料來源：安森美半導(dǎo)體

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）。這些振蕩形成谷。QR開關(guān)將尋找最低谷點(diǎn)，以便下次打開電源開關(guān)。簡而言之，在峰值期間打開Q1會(huì)增加功耗，而在谷值期間打開Q1則會(huì)降低功耗。

圖6電源開關(guān)可能會(huì)出現(xiàn)谷底開關(guān)振蕩。資料來源：安森美半導(dǎo)體

主動(dòng)鉗位反激

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7ACF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(duì)時(shí)序圖，電源開關(guān)（Q1）在T0接通，在T2斷開。在T2處，漏電感（ICLAMP）開始流過有源鉗位（Q3）體二極管，從而給鉗位電容器（VCLAMP）充電。在T4，Q3打開，繼續(xù)VCLAMP充電。在T5時(shí)，ICLAMP變?yōu)樨?fù)值，現(xiàn)在VCLAMP通過Q3將漏感放電回到負(fù)載，直到T7。

此相對(duì)時(shí)序圖顯示了圖8ACF泄漏電感的循環(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(gè)Q1接通時(shí)間內(nèi)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，從而產(chǎn)生更高的效率。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，導(dǎo)致有源鉗位鐵芯損耗比圖4的RCD緩沖器稍高。在Q1關(guān)斷時(shí)間內(nèi)纏繞；這增加了初級(jí)繞組損耗。

安森美半導(dǎo)體的NCP1568是高度集成的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)市場上大多數(shù)超級(jí)結(jié)（SJ）MOSFET，而無需外部組件。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9NCP1568 ACF驅(qū)動(dòng)超級(jí)結(jié)MOSFET Q1。資料來源：安森美半導(dǎo)體

ACF驅(qū)動(dòng)GaN

交換用于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GaN單個(gè)組合接受來自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的配置顯示了來自NCP1568和NCP51530的驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以滿足系統(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“范圍”（20mV步進(jìn)）設(shè)置，以及高達(dá)50A的電流設(shè)置的可編程“范圍”（以50mA步進(jìn)）（表1）。PPS的優(yōu)勢在于該源可以提供更精細(xì)的電壓/電流粒度，從而提高USB-C源和宿之間的效率。

表1 USB-C PD 2.0與3.0 PPS

所述FUSB3307是一個(gè)完全自主PD 3.0 1.2版和C型V1.3，100W，源控制器能夠提供從3.3-21V（20mV的步驟）VBUS和至多5 A（50毫安步），最多共七個(gè)固定和PPS PDO。FUSB3307是一款不含MCU的低成本硬件狀態(tài)機(jī)解決方案。無需開發(fā)固件，就可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間，以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(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控制器是一種防篡改的全功能解決方案。資料來源：安森美半導(dǎo)體

圖12示出了29 W /在3，60瓦ACF參考安森美半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與USB-C PD 3.0和PPS。NCP1568 ACF（U2）通過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該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)捕獲以下四個(gè)額定功率輸出的平均效率。使用超級(jí)結(jié)MOSFET可以達(dá)到25％，50％，75％和100％的頻率，最高開關(guān)頻率為450 kHz?？梢钥吹剑瑥?V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)高于要求的能源部（DoE）VI級(jí)最低限制（紅線） 。

圖13該4點(diǎn)平均效率圖顯示NCP1568超過了DoE Level VI的最小限值。資料來源：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UHD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，可以達(dá)到29 W / in 3的功率密度，最高達(dá)到92％的4點(diǎn)效率。并且，如果應(yīng)用允許更高的成本和更高的效率，那么ACF還可驅(qū)動(dòng)GaN，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。

鮑勃·卡德（Bob Card）是負(fù)責(zé)安森美半導(dǎo)體美國高級(jí)解決方案集團(tuán)（ASG）的市場經(jīng)理。

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