如何實(shí)現(xiàn)超高密度適配器設(shè)計(jì)？安森美半導(dǎo)體發(fā)布有源鉗位反激式控制器NCP1568

1992年諾基亞發(fā)布了第一部GSM手機(jī)，它的充電器功率僅為1~1.5W，當(dāng)然它的功能也很簡單，屏幕也小小的;2007年蘋果發(fā)布了第一款iPhone，艷驚四座，它采用觸控UI，充電器的功率也達(dá)到了5W;而時至今日，手機(jī)承載了很多功能，譬如人工智能計(jì)算，導(dǎo)航，視頻通話...等等，功耗越來越大，電池容量也越來越大，相應(yīng)的也開始使用USB-C的協(xié)議供電，達(dá)到了18W的充電功率。不只是手機(jī)，所有的終端電子產(chǎn)品正在向著更高功率密度和更高功率水平邁進(jìn)，USB PD的供電能力也備受推崇。安森美半導(dǎo)體適時地推出了許多新的電源方案，來配合USB PD的架構(gòu)。

近日，安森美半導(dǎo)體召開了USB Type C及供電(PD)方案媒體交流會，安森美半導(dǎo)體模擬方案部交流-直流電源管理高級市場推廣經(jīng)理蔣家亮先生對于新產(chǎn)品進(jìn)行了精彩的演講。

為何要選擇有源鉗位反激拓?fù)?

如何設(shè)計(jì)出體積又小，充電速度又快的適配器?那就必須從功率密度和開關(guān)頻率上去下手，在這兩個參數(shù)上盡可能地做到更高。蔣家亮先生介紹到：“頻率的高低將影響到變壓器的大小。”如下圖所示，以一個60W的 USB PD設(shè)計(jì)來看，采用更高頻率和功率密度器件的RM8 LP變壓器的尺寸僅為RM10變壓器的1/3。

圖：安森美半導(dǎo)體USB PD電源適配器方案

傳統(tǒng)的反激拓?fù)浼軜?gòu)的開關(guān)內(nèi)有變壓器和MOSFET，開關(guān)的時候會產(chǎn)生振鈴，振鈴將引起振鈴回路的損耗，造成器件發(fā)熱和降低效率。振鈴?fù)瑫r還會產(chǎn)生很多高頻EMI。想要把這些高頻EMI吸收掉，就需要周圍有振鈴電路來吸收，這樣就造成了電能的損耗。相應(yīng)的，如果需要電源的設(shè)計(jì)體積越小，那么開關(guān)頻率就要越高，這樣就會帶來更多損耗。

據(jù)蔣家亮先生介紹，有緣鉗位反擊拓?fù)渲?，會多增加一個MOSFET，多增加一個電容，但同樣有吸收能量的地方。當(dāng)MOSFET關(guān)閉的時候，全部的能量都可以送到電容中存儲起來，可以重新利用。每一個開關(guān)都是零電壓開關(guān)，因此并沒有損耗。在關(guān)掉的時候，也可以將會產(chǎn)生EMI損耗的能量全部重新利用。有源鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這樣既實(shí)現(xiàn)了高頻，又能保證低EMI。

更智能的IC，自適應(yīng)零電壓開關(guān)和死區(qū)時間

此次發(fā)布會介紹的NCP1568屬于有源鉗位反激控制器，它具有諸多特點(diǎn)。下面來給大家一一介紹。首先就是控制模式方面，NCP1568具備自適應(yīng)零電壓開關(guān)，隨著輸出電壓頻率發(fā)生變動。因?yàn)樵谖磥鞺SB PD的使用場景中，因?yàn)榻涌诘慕y(tǒng)一，同一個適配器可能既要給大功率的電腦充電，又要給低功耗的手機(jī)充電，所以就要保證其適配器在寬功率范圍內(nèi)，都能保證非常高效的能量轉(zhuǎn)換。蔣家亮先生表示，NCP1568內(nèi)通過對負(fù)載點(diǎn)的開關(guān)優(yōu)化，減少開關(guān)的開通損耗;而且還集成自適應(yīng)的死區(qū)時間，能夠?qū)⒁粋€開關(guān)操作做的非常完美。

另外，NCP1568還又一個導(dǎo)入模式。據(jù)蔣家亮先生介紹，有源鉗位不能從零負(fù)載到滿負(fù)載都是ACF狀態(tài)，需要找到一個點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)IC自動切換從ACF到非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)，這時電源可以將輕載和待機(jī)再熱化。因?yàn)閮?nèi)嵌啟動部分，又有輸入的欠壓保護(hù)，又可以將ACF模式頻率反走，所以NCP1568的待機(jī)功率可以做到小于30mW。

上圖是有無自適應(yīng)零電壓開關(guān)的比較圖，可以看到因?yàn)樽赃m應(yīng)零電壓開關(guān)的存在，在每個開關(guān)周期內(nèi)，損耗都可以做到更小，基本實(shí)現(xiàn)零損耗。

當(dāng)然，包含NCP1568在內(nèi)，安森美提供了一整套的ACF設(shè)計(jì)方案。其中包括MOSFET、整流器和二極管等等，安森美還提供了一款NCP1568 USB PD 90W超高密度演示板，可以在現(xiàn)在30W USB適配器的體積上做到高達(dá)90W的功率密度， 而在現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的5V 12W的適配器的體積上，使用NCP1568可以做到27W的USB PD快充解決方案。

有源鉗位反激將會是適配器的下一個嚴(yán)謹(jǐn)趨勢，安森美NCP1568可以自適應(yīng)ZVS、死區(qū)時間，可配置ACF/DCM轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)100W的供電。隨著目前適配器小型化高功率密度化的演進(jìn)，相信NCP1568將會迎來大量應(yīng)用。

安森美半導(dǎo)體模擬方案部交流-直流電源管理高級市場推廣經(jīng)理蔣家亮