从大而笨重到小而轻便,电源适配器也在“改朝换代”

2018-11-02 16:22:06 来源:EEFOCUS
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在使用笔记本电脑和智能手机时,用户都希望充电越快越好,充电电源越小越好,因此从设备厂商到电源芯片厂商都在极力向着这个目标奋斗。但是电源适配器在小型化的过程中也面临很多挑战,比如:每个充电器在满载、半载、轻载以及待机时都希望达到高能效,我们针对轻载如何提高能效?随着元器件数量增加,密度变高,排列就会很紧凑,容易产生干扰,怎样同时做到高性能、EMI低、元器件数量少? 除此之外,还要能涵盖从手机到笔记本尽可能广泛的充电应用,更重要的是性价比要高。

 

为了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。据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介绍,“NCP1568 ACF控制器具备先进的功能和灵活的操作,有助于提供卓越的能效,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。”

 

有源钳位反激拓扑实现高能效、低EMI

在传统的反激拓扑架构中,开关包含一个变压器和一个Mosfet。在开关时会产生振铃,它会产生高频的EMI,使得变压器漏电,耗散在缓冲器或者钳位电路中,难以在生产中控制和最小化。对于Mosfet损耗,应该选择Rd(on)FET减少高压损耗,在90V是降低能效时可能需要更好的散热器。如果不想产生EMI,需要周边的振铃电路来吸收,吸收掉就等于损耗掉,因此跑高频越多损耗越多,因此传统的反激拓扑结构不能跑到高频。

 

对比用有源钳位反激架构,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关时,全部能量会存储在电容里,有需要时再重新利用这部分能量。只要把Mosfet的开关电压设置为零伏,下边的Mosfet就等于是零伏的电压开关,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。

 

极大缩小电源适配器体积

NCP1568具有三种控制模式:第一,控制模式具有支适应零电压开关(ZVS)频率调制,支持可变的Vout,集成自适应死区时间,可以进行峰值电流模式控制;第二,非连续导通模式及轻载模式,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;第三,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。

 

关于自适应零电压开关频率可调节这一特点,蒋家亮解释,“对于USB Type-C和USB PD应用,可以充手机的5V,也可以充笔记本的20V。另外,根据功率的不同,负载点的开关会做优化,减少开关导通损耗;自适应死区的时间也是确保每个周期开关状态最佳。IC需要将周期调到轻载、待机部分,以前反击做到非常低的待机,可能有声音,可以多加静音的方式。当一个频率返走的时候,我们可以把频率从29K马上调到800Hz,中间可以从29K变成20K或者十几K,这不好做,所以就是把中间的频率跳过。如何从29K开关频率马上跑到800Hz?1K、2K、3K、5K、10K这些人比较容易听到的频率全部跳过,马上跑到800Hz,也可以做到很低音的效果,这就是静音跳跃消除可闻躁声的效果。”

 


NCP1568 USB PD 65W 超高密度演示板


iPhone8和电源适配器比较图

 

如图所示,采用NCP1568 USB PD 65W 超高密度演示板的电源适配器相当于iPhone8手机的1/3。演示板采用了有源钳位反激及DCM工作模式,满载能效在120V时可以达到94%,在230V时可以达到94.6%,采用的是超结(SJ)FET,蒋家亮表示,“在94%的效率下基本不需要散热器,如果采用氮化镓材料,满载能效可能会达到95%多点。功率密度跟损耗永远都会有一个平衡点,在满载功率94%时不用散热片,假如用同样的板子跑高频,变压器更小,板更小,大概相当于现在的2/3,同样达到94%的能效,发热机会大。因为损耗是固定的,面积小了,发热提高了,所以要额外多加一些铜片散热,电压可靠性会高。”

 

氮化镓要选对拓扑结构才能发挥优势
目前氮化镓价格较贵,所以在高密度的部分,如果能够用普通的超结Mosfet,做到高密度就是首选的方案。同样在不同的负载上,在平均能效或者10%轻载的时候,基本上会达到90%或者94%的能效。未来氮化镓功率管是不是也适用于有源钳位拓扑呢?蒋家亮表示,“这取决于客户的目标,有的客户觉得用超结就满足要求,有些客户追求更高密度,希望使用氮化镓导更高频,我们的产品可以跑高频配氮化镓。如果用户要做设备降损,在上百K的位置也能高能效。”

 

“如果拓扑结构没办法跑高频,用氮化镓跑高频也是浪费,所以用户选择时一定要让氮化镓配合适的拓扑,比如说有源钳位或者LLC零电压切换的拓扑才可以跑高频。我们目前的USB Type-C PD电源适配器方案,不是最小,但是可以做到更小。因为现在的频率是300K,假如到500K的高频率,变压器会更小,再配合氮化镓,功率密度一定会更高,适配器尺寸会更小。” 蒋家亮补充。

 

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郭云云
郭云云

与非网北京站编辑,网名:咖啡不解困。混迹在电子社区,混迹在电子产业圈,虽不如工程师懂技术但也算半个电子人,喜欢听别人讲故事,喜欢思考电子圈的是是非非,更喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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