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[导读]适配器向着小型化迈进,需要更高功率密度的电源器件。安森美半导体发布有源钳位反激式控制器NCP1568,帮助USB-PD实现更高功率密度适配器设计。

1992年诺基亚发布了第一部GSM手机,它的充电器功率仅为1~1.5W,当然它的功能也很简单,屏幕也小小的;2007年苹果发布了第一款iPhone,艳惊四座,它采用触控UI,充电器的功率也达到了5W;而时至今日,手机承载了很多功能,譬如人工智能计算,导航,视频通话...等等,功耗越来越大,电池容量也越来越大,相应的也开始使用USB-C的协议供电,达到了18W的充电功率。不只是手机,所有的终端电子产品正在向着更高功率密度和更高功率水平迈进,USB PD的供电能力也备受推崇。安森美半导体适时地推出了许多新的电源方案,来配合USB PD的架构。

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近日,安森美半导体召开了USB Type C及供电(PD)方案媒体交流会,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先生对于新产品进行了精彩的演讲。

为何要选择有源钳位反激拓扑?

如何设计出体积又小,充电速度又快的适配器?那就必须从功率密度和开关频率上去下手,在这两个参数上尽可能地做到更高。蒋家亮先生介绍到:“频率的高低将影响到变压器的大小。”如下图所示,以一个60W的 USB PD设计来看,采用更高频率和功率密度器件的RM8 LP变压器的尺寸仅为RM10变压器的1/3。

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图:安森美半导体USB PD电源适配器方案

传统的反激拓扑架构的开关内有变压器和MOSFET,开关的时候会产生振铃,振铃将引起振铃回路的损耗,造成器件发热和降低效率。振铃同时还会产生很多高频EMI。想要把这些高频EMI吸收掉,就需要周围有振铃电路来吸收,这样就造成了电能的损耗。相应的,如果需要电源的设计体积越小,那么开关频率就要越高,这样就会带来更多损耗。

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据蒋家亮先生介绍,有缘钳位反击拓扑中,会多增加一个MOSFET,多增加一个电容,但同样有吸收能量的地方。当MOSFET关闭的时候,全部的能量都可以送到电容中存储起来,可以重新利用。每一个开关都是零电压开关,因此并没有损耗。在关掉的时候,也可以将会产生EMI损耗的能量全部重新利用。有源钳位拓扑结构这样既实现了高频,又能保证低EMI。

更智能的IC,自适应零电压开关和死区时间

此次发布会介绍的NCP1568属于有源钳位反激控制器,它具有诸多特点。下面来给大家一一介绍。首先就是控制模式方面,NCP1568具备自适应零电压开关,随着输出电压频率发生变动。因为在未来USB PD的使用场景中,因为接口的统一,同一个适配器可能既要给大功率的电脑充电,又要给低功耗的手机充电,所以就要保证其适配器在宽功率范围内,都能保证非常高效的能量转换。蒋家亮先生表示,NCP1568内通过对负载点的开关优化,减少开关的开通损耗;而且还集成自适应的死区时间,能够将一个开关操作做的非常完美。

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另外,NCP1568还又一个导入模式。据蒋家亮先生介绍,有源钳位不能从零负载到满负载都是ACF状态,需要找到一个点,能够实现IC自动切换从ACF到非连续导电模式(DCM),这时电源可以将轻载和待机再热化。因为内嵌启动部分,又有输入的欠压保护,又可以将ACF模式频率反走,所以NCP1568的待机功率可以做到小于30mW。

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上图是有无自适应零电压开关的比较图,可以看到因为自适应零电压开关的存在,在每个开关周期内,损耗都可以做到更小,基本实现零损耗。

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当然,包含NCP1568在内,安森美提供了一整套的ACF设计方案。其中包括MOSFET、整流器和二极管等等,安森美还提供了一款NCP1568 USB PD 90W超高密度演示板,可以在现在30W USB适配器的体积上做到高达90W的功率密度, 而在现在标准的5V 12W的适配器的体积上,使用NCP1568可以做到27W的USB PD快充解决方案。

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有源钳位反激将会是适配器的下一个严谨趋势,安森美NCP1568可以自适应ZVS、死区时间,可配置ACF/DCM转换,能够实现高达100W的供电。随着目前适配器小型化高功率密度化的演进,相信NCP1568将会迎来大量应用。

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

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