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高頻準諧振反激式參考設計實現超高功率密度緊湊適配器

發(fā)布時間:2016-07-29 責任編輯:susan

【導讀】為提供更佳的用戶體驗,筆記本電腦及其適配器不斷向小型化、高功率密度化方向發(fā)展,便于消費者外出時攜帶更方便,同時,還需具備高平均能效和極低待機功耗,以符合日趨嚴格的各種能效法規(guī)。
 
如于2016年1月1日生效的歐盟CoC V5 Tier 2 規(guī)定,輸出功率為45 W和65 W的AC-DC適配器平均能效需分別達到87.7%和89%,待機功耗分別低于75 mW和150 mW,并且還要求10%負載條件時的能效需分別達到77.7%和77.5%。電源設計工程師面臨體積、能效和成本等多方面的設計挑戰(zhàn)。
 
表1. AC-DC 適配器能效法規(guī)一覽
 
開關頻率直接決定開關電源的功率密度,提高開關頻率可有效地減小無源功率器件如變壓器、輸出電容的尺寸,從而提高功率密度;高功率密度應用僅滿足能效規(guī)范遠遠不夠,因為體積減小時,散熱面積也相應減少,需提高能效以減少發(fā)熱,減小對內部元器件壽命的影響;此外,工程師需將成本控制在合理范圍內,以在競爭激烈的市場處于有利地位。
 
準諧振反激 + 同步整流 = 高功率密度適配器
 
LLC拓撲結構可提供高頻率和高能效,但其成本較高,且對輸入電壓范圍有嚴格要求,不適用于筆記本電腦這一功率等級。采用準諧振反激式拓撲加上同步整流(SR)可輕松地設計出滿足體積、能效、成本等要求的高功率密度適配器,如安森美半導體的高頻準諧振反激式控制器NCP1340/1+SR控制IC NCP4305/80。
 
準諧振模式允許使用相對大的緩沖電容Clump,額外增加的Clump (10-22pF)可以減少MOS管關斷損耗,減少電磁干擾(EMI)。準諧振反激有利于次極端加SR,可降低整流二極管導通損耗,減少次極端整流管尖峰電壓,降低其耐壓要求。
 
圖1. 準諧振模式允許使用相對大的緩沖電容Clump
 
準諧振式反激電源損耗分析和設計要點
 
分析準諧振反激損耗旨在提高工作頻率后再減少功率損耗。準諧振反激電源的損耗主要分布在初級MOSFET、尖峰吸收電路、變壓器和輸出整流。
 
圖2. 準諧振反激電源的損耗分布
 
1.初級MOSFET損耗分析
 
初級MOSFET損耗主要包括導通損耗、開關損耗和驅動損耗。導通損耗由漏源導通阻抗Rds(on)和初級端均方根電流定義。對于開關損耗,由于MOSFET的結電容與其Vds電壓成非線性比例,所以不能用簡單的電容儲能公式計算,需要將實際的結電容考慮進去,結電容可理解為MOSFET DS 網絡間等效的除了MOSFET內部的結電容外的其它電容。驅動損耗在開關頻率較低時可以不作考慮,但在高頻應用中不能忽略,它在MOSFET導通和關斷時產生,主要取決于MOSFET總門極電荷Qg、開關頻率和IC工作電壓Vcc,損耗大部分消耗在驅動電阻上。
 
因此,對于MOSFET的選取,在高頻應用中,Rds (on) x Qg乘積數越低越有利于降低導通損耗和驅動損耗。應選擇體積小、薄且散熱性好的低熱阻封裝。由于氮化鎵(GaN) MOSFET具有更優(yōu)的Rds (on) x Qg參數,可額外增加約0.3%的滿載效率,而在成本允許的情況下,GaN MOSFET是理想的選擇。
 
2. 尖峰吸收電路損耗分析
 
尖峰吸收電路主要用于鉗制MOS管Vds電壓,防止其過壓擊穿。電阻-電容-二極管(RCD)吸收和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)吸收是兩種常用的電路,其中RCD最為常用,可靠性較高。
 
圖3. 兩種常見的尖峰吸收電路
 
對于RCD電路中,較大的吸收電容C可減少鉗位電壓紋波,但會增加待機功耗,所以C的選取一般以滿載時5%至10%鉗位電壓紋波為宜。如果吸收電阻R較熱,可減小變壓器漏電感,選用Trr一致性好的慢管,可降低鉗位電壓,減少R損耗。
 
鉗位電壓方面,選擇高的鉗位電壓可降低RCD吸收損耗,但需選高耐壓MOS管,這會導致成本增加,而且變壓器初級電流衰減速度會變快,次級整流電流上升斜率變陡,不利于EMI和次級同步整流效率優(yōu)化。選擇低的鉗位電壓,有利于EMI,次級同步整流控制,但RCD吸收損耗會增加。整流二極管D選用慢管可減少鉗位電壓和改善EMI,但二極管溫升會較高。所以需綜合考慮各方面影響,權衡擇取。
 
3. 變壓器損耗分析
 
變壓器損耗主要包括磁芯損耗、線圈損耗和高頻附加的磁芯及線圈損耗。對于>300 KHz應用,相比TP4A, 3C90或3F3,3C95/P51磁芯材料具有更低損耗。高頻應用時,臨近效應和趨膚效應導致繞線交流電阻增大,銅損增加,多股絞線將是非常不錯的選擇。
提高開關頻率,可以減少變壓器初級電感量,從而減少磁芯損耗。采用多股膠合線,減少趨膚效應,分開初級繞組(三明治繞法)以降低鄰近效應。如安森美半導體的45 W參考設計選用RM7變壓器,采用多股線加三明治繞法,初級端為24轉25x AWG#38 絞合線,次級端為4轉150x AWG#44 絞合線,采用3C90材料。
 
4. 輸出整流損耗分析
 
輸出整流通常有二極管整流和SR兩種方案。由于SR MOS導通壓降遠低于二極管導通壓降Vd,所以可比傳統(tǒng)的二極管整流實現更高能效。
 
和初級MOSFET一樣,SR損耗分為開關損耗(低壓時可忽略不計)、驅動損耗(取決于Qg、開關頻率及Vcc)和導通損耗。其中導通損耗包括MOSFET導通時的內阻損耗和體二極管在MOSFET導通前的導通損耗,體二極管導通損耗和MOSFET導通延時密切相關。安森美半導體的NCP4305/80系列同步整流控制IC具有極短導通延時,可調至30 ns,同時具有強大的驅動能力,能快速通斷SR MOSFET。如在45 W參考設計中,SR MOSFET選用NVMFS6B03NL,內阻僅4 m?,Qg 70.7nC,若選用GaN SR MOSFET將可獲得額外約0.3%的滿載能效提升。
 
綜上所述,損耗源及影響損耗的因素可歸納為:
 
表2. 損耗源及影響損耗的因素
 
45 W高功率密度適配器參考設計
 
該參考設計采用安森美半導體的NCP1340高頻準諧振反激+NCP43080 SR架構, 在能效和待機功耗方面彰顯出色性能,提供19 V/2.4 A額定輸出,90-264 V寬輸入電壓,體積僅50 mm x 33 mm x 22 mm,所需外圍元件數少,滿載能效超過92%,待機功耗低于30 mW,完全符合CoC V5 Tier 2能效要求。
 
圖4. 45 W參考設計能效 vs. 負載曲線
 
其中NCP1340/1采用SO-8封裝,高壓啟動,集成X2放電和欠壓檢測,運行達6個谷底鎖定開關,可有效地解決因谷底數不穩(wěn)定所產生的音頻噪聲問題,并通過最小頻率鉗位和Quiet-Skip運行消除噪聲。人類能聽到的頻率范圍是20Hz至20kHz,早期的跳周期控制IC將最低開關頻率設置在25 kHz,但間隙工作頻率通常會在2 kHz至4 kHz范圍,所以一旦其進入跳周期模式,噪聲還是很大的。Quiet-Skip將最大的間隙工作頻率設置為800 Hz,雖然800 Hz仍在可聽見的范圍內,但其往往會與背景噪聲很好的融合,所以不容易被察覺。NCP1340/1采用跳周期模式,電流消耗低,因而可實現低于30 mW的低待機功耗,具有頻率抖動特性,可提升EMI性能,實測抖頻功能可降低AV曲線低頻段的峰值約5 dB。此外,NCP1341比NCP1340多了功率倍增模式,可提高瞬態(tài)帶載能力,同時保持最小尺寸的變壓器,實現1.5倍或2倍的額定功率輸出,非常適合打印機、驅動電源等需要損失功率倍增的應用場合。
 
總結
 
設計高功率密度的適配器電源不但要滿足更輕更薄的發(fā)展趨勢以提升用戶體驗,還要符合日趨嚴格的能效要求,這對設計人員來說充滿挑戰(zhàn)。高頻準諧振反激是適用于低于65 W的高功率密度電源適配器的拓撲結構之一。安森美半導體的45 W高功率密度參考設計采用準諧振反激NCP1340/1 + 同步整流NCP4305/80的架構,可輕松設計出小巧、低成本的高能效高功率密度適配器,滿載能效超過92%,待機功耗低于30 mW,遠遠超越能效規(guī)范。
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