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安森美半导体的高频准谐振反激式参考设计实现超高功率...

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发表于 2016-8-2 11:10:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
为提供更佳的用户体验,笔记本电脑及其适配器不断向小型化、高功率密度化方向发展,便于消费者外出时携带更方便,同时,还需具备高平均能效和极低待机功耗,以符合日趋严格的各种能效法规。如于2016年1月1日生效的欧盟CoC V5 Tier 2 规定,输出功率为45 W和65 W的AC-DC适配器平均能效需分别达到87.7%和89%,待机功耗分别低于75 mW和150 mW,并且还要求10%负载条件时的能效需分别达到77.7%和77.5%。电源设计工程师面临体积、能效和成本等多方面的设计挑战。

开关频率直接决定开关电源的功率密度,提高开关频率可有效地减小无源功率器件如变压器、输出电容的尺寸,从而提高功率密度;高功率密度应用仅满足能效规范远远不够,因为体积减小时,散热面积也相应减少,需提高能效以减少发热,减小对内部元器件寿命的影响;此外,工程师需将成本控制在合理范围内,以在竞争激烈的市场处于有利地位。
准谐振反激 + 同步整流 = 高功率密度适配器
LLC拓扑结构可提供高频率和高能效,但其成本较高,且对输入电压范围有严格要求,不适用于笔记本电脑这一功率等级。采用准谐振反激式拓扑加上同步整流(SR)可轻松地设计出满足体积、能效、成本等要求的高功率密度适配器,如安森美半导体的高频准谐振反激式控制器NCP1340/1+SR控制IC NCP4305/80
准谐振模式允许使用相对大的缓冲电容Clump,额外增加的Clump (10-22pF)可以减少MOS管关断损耗,减少电磁干扰(EMI)。准谐振反激有利于次极端加SR,可降低整流二极管导通损耗,减少次极端整流管尖峰电压,降低其耐压要求。

准谐振式反激电源损耗分析和设计要点
分析准谐振反激损耗旨在提高工作频率后再减少功率损耗。准谐振反激电源的损耗主要分布在初级MOSFET、尖峰吸收电路、变压器和输出整流。

1.初级MOSFET损耗分析
初级MOSFET损耗主要包括导通损耗、开关损耗和驱动损耗。导通损耗由漏源导通阻抗Rds(on)和初级端均方根电流定义。对于开关损耗,由于MOSFET的结电容与其Vds电压成非线性比例,所以不能用简单的电容储能公式计算,需要将实际的结电容考虑进去,结电容可理解为MOSFET DS 网络间等效的除了MOSFET内部的结电容外的其它电容。驱动损耗在开关频率较低时可以不作考虑,但在高频应用中不能忽略,它在MOSFET导通和关断时产生,主要取决于MOSFET总门极电荷Qg、开关频率和IC工作电压Vcc,损耗大部分消耗在驱动电阻上。
因此,对于MOSFET的选取,在高频应用中,Rds(on) x Qg乘积数越低越有利于降低导通损耗和驱动损耗。应选择体积小、薄且散热性好的低热阻封装。由于氮化镓(GaN) MOSFET具有更优的Rds (on) x Qg参数,可额外增加约0.3%的满载效率,而在成本允许的情况下,GaN MOSFET是理想的选择。
2. 尖峰吸收电路损耗分析
尖峰吸收电路主要用于钳制MOS管Vds电压,防止其过压击穿。电阻-电容-二极管(RCD)吸收和瞬态电压抑制器(TVS)吸收是两种常用的电路,其中RCD最为常用,可靠性较高。

对于RCD电路中,较大的吸收电容C可减少钳位电压纹波,但会增加待机功耗,所以C的选取一般以满载时5%至10%钳位电压纹波为宜。如果吸收电阻R较热,可减小变压器漏电感,选用Trr一致性好的慢管,可降低钳位电压,减少R损耗。
钳位电压方面,选择高的钳位电压可降低RCD吸收损耗,但需选高耐压MOS管,这会导致成本增加,而且变压器初级电流衰减速度会变快,次级整流电流上升斜率变陡,不利于EMI和次级同步整流效率优化。选择低的钳位电压,有利于EMI,次级同步整流控制,但RCD吸收损耗会增加。整流二极管D选用慢管可减少钳位电压和改善EMI,但二极管温升会较高。所以需综合考虑各方面影响,权衡择取。
3. 变压器损耗分析
变压器损耗主要包括磁芯损耗、线圈损耗和高频附加的磁芯及线圈损耗。对于>300 KHz应用,相比TP4A, 3C90或3F3,3C95/P51磁芯材料具有更低损耗。高频应用时,临近效应和趋肤效应导致绕线交流电阻增大,铜损增加,多股绞线将是非常不错的选择。
提高开关频率,可以减少变压器初级电感量,从而减少磁芯损耗。采用多股胶合线,减少趋肤效应,分开初级绕组(三明治绕法)以降低邻近效应。如安森美半导体的45 W参考设计选用RM7变压器,采用多股线加三明治绕法,初级端为24转25x AWG#38 绞合线,次级端为4转150x AWG#44 绞合线,采用3C90材料。
4. 输出整流损耗分析
输出整流通常有二极管整流和SR两种方案。由于SR MOS导通压降远低于二极管导通压降Vd,所以可比传统的二极管整流实现更高能效。
和初级MOSFET一样,SR损耗分为开关损耗(低压时可忽略不计)、驱动损耗(取决于Qg、开关频率及Vcc)和导通损耗。其中导通损耗包括MOSFET导通时的内阻损耗和体二极管在MOSFET导通前的导通损耗,体二极管导通损耗和MOSFET导通延时密切相关。安森美半导体的NCP4305/80系列同步整流控制IC具有极短导通延时,可调至30 ns,同时具有强大的驱动能力,能快速通断SR MOSFET。如在45 W参考设计中,SR MOSFET选用NVMFS6B03NL,内阻仅4 mΩ,Qg 70.7nC,若选用GaN SR MOSFET将可获得额外约0.3%的满载能效提升。
综上所述,损耗源及影响损耗的因素可归纳为:



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