开关电路使能较小的USB PD功率适配器

文章:王Zan

电源设计等待如FFRZVS电路,为便携式设备提供较小的USB PD功率适配器。

USB有可能通过将界面信号和电源组合在单个电缆中来解决简化微型功率适配器的设计的需求。现在,自1996年推出自1996年以来的第四代,通用串行总线(USB)具有标准化的计算机连接,替换串行端口和并行端口等接口,并已成为充电各种便携式设备的选择电缆。

指定的千兆位速度USB 3.0.使这辆公交车成为强大的竞争者,可以更换与PC和笔记本电脑相关的所有类型的电缆,包括显示器,外部磁盘驱动器,打印机和扫描仪。最重要的是,随着USB电力输送(USB PD)规范,USB还具有消除电力电缆的可能性。

2012年开发开发,为所有USB设备创建可互操作的收费标准,USB PD现在正在第三个修订版本。它已经发展到能够为硬盘驱动器,打印机和类似设备提供电力电平的充电应用,高达100W和5到20V之间的电压。USB电缆可能很快是唯一需要为笔记本电脑供电所需的东西,以及连接到它们的广泛外围设备。通过5V的前面的7.5 W电源限制,USB PD也会产生更快的智能手机电池充电的可能性。

电力供应小型化

小型化电源的设计需要工程师在风格和效率之间找到平衡,同时确保符合众多电气标准和安全要求。开关模式电源(SMPs)已成为笔记本电脑等设备的常见解决方案,因为它们的高效率显着降低了功耗和随之而来的散热,使它们能够将其包装成更小的机箱。

随着SMPS设计的成熟,工作在不连续传导模式(DCM)下的准谐振开关变换器(QRC)已经成为高密度交直流设计的拓扑结构选择,因为它减轻了开发挑战,提供了比其他选择更稳定的环路控制。万博投注网址准谐振开关变换器,也称为可变频率或谷开关反激变换器,利用寄生谐振特性控制开关MOSFET的通断电压,从而降低开关损耗(图1)。

准谐振开关变换器的电路图及谐振振荡图 图1准谐振开关转换器的基本操作显示了它如何使用寄生谐振特性来控制开关MOSFET的导通电压。来源:英飞凌

图1b显示了v中的谐振振荡DS.波形,由寄生电感,电容(L泄漏)和CD。共振导致v中的“谷”点DS.并且,在准谐振(QR)或谷开关反激,电路控制器被配置为在最小谷点打开MOSFET。控制器可以被编程为打开不同的谷点。它总是在第一谷打开的地方,它被称为自由运行的QR反激。在此模式下,谐振和因此切换频率随负载而变化,最小频率在较高负载下。

尽管QRC的设计有很多优点,但为了达到USB的微型化水平所需要的密度,QRC的设计还需要进一步的优化。虽然在低线情况下,MOSFET实际上在零电压开关(ZVS)模式下工作,但它不是在高线情况下的情况,导致显著水平的开关损耗。基本的QRC设计可以修改,以帮助减少这些损失;一个缓慢的反向恢复二极管可以将一些耗散的能量推回到体积电容或输出(图1A)。值得注意的是,虽然这种方法减少了高线输入的损耗,但它导致了低线更高的损耗。

设计上的考虑,例如使用具有更高输出电容的mosfet (C奥斯)以及低Rds(上)设备还可以有助于限制传导和泄漏损耗。然而,负载和开关频率之间的关系在峰值功率水平下具有诸多变压器利用的QRC拓扑难以进一步困难。这种现象负责触摸屏应用中的共模噪声干扰问题。

随着电源适配器尺寸的压力增加,制造商已经开始通过将绕组纳入PCB来简化生产。它需要高于100 kHz的切换频率以最小化铜损耗。在这种情况下,强制谐振零电压切换(FFRZVS)设计提供了最佳解决方案。万博投注网址

在这些设计中,切换万博投注网址在主变压器中的零电压点处实现。它降低了电源开关的开启损耗和散热,提高了效率。FFRZVS电路的高频操作使得能够降低磁性部件的尺寸,从而实现高密度和紧凑的电源。

FFRZVS的工作原理

通过对基本QR设计进行小变化,实现了对FFRZV的开启损失和更高效率的显着降低。这些更改被说明图2.,给出了基于Infineon的FFRZVS参考设计XDPS21071.FFRZVS DCM控制器。

FFRZVS参考设计的原理图 图2.FFRZVS参考设计围绕反激控制器IC构建。来源:英飞凌

额外的零电压绕组被添加到电路的初级侧,以及初级绕组和辅助绕组,其用于过零检测。该零电压绕组ZWVs被添加到电路,以及电容器,电源开关,QZV和低侧栅极驱动器和RG1,实现自控ZVS循环。

图5图显示了FFRZVS设计的操作顺序 图3.该图显示了FFRZVS设计的操作顺序。来源:英飞凌

当一次MOSFET QM在t0关断时,在同步整流器QSR接通前有一个短的消光周期,导致电流流过二次绕组WS。当磁化电流降至零时,QSR在t1关闭,初级侧绕组上的谐振电路引起电压V的振荡散装。在这一点,t2, ZVS MOSFET被打开,带来额外的绕组,ZVS,发挥作用。在一次MOSFET的谐振峰上接通ZVS,其中磁化电流为零,导致负磁化电流累积。

一旦这一电流达到其峰值t3, ZVS MOSFET再次关闭,导致磁化电流反向。这释放了等效电容,导致一次MOSFET的漏极电压在t4达到最小值,在那里它打开。在此点接通,其漏源极电压最小,导致接通损耗显著降低,接近于真正的零电压开关。

上面的描述强调了控制器在FFRZVS实现中的重要作用,它根据其输出电压的测量来决定时序的精度。

用于USB PD适配器的FFRZV

显示了基于此操作原理的USB PD适配器的参考设计图4.。所使用的固定频率ZVS控制器专门用于瞄准高密度电源适配器应用。它能够在多种模式下操作,包括不连续的传导模式(DCM),ZVS,频率减小模式(FRM)和突发模式(BM),确保不同线路和负载条件的效率。

FFRZVS USB PD适配器参考设计的三张照片 图4.USB PD适配器的参考设计基于FFRZVS操作原理。来源:英飞凌

数字和模拟外设支持各种信号采样和调节技术,根据反激操作所需的方式。内置的高压启动单元使IC电源在无负载操作期间更高效且灵活,高压电路提供电压监控以及棕色和欠压保护。

模式切换和定时控制是由一个纳米dsp处理配置,非易失性的OTP存储器。这种可编程能力可以简化PCB布局和减少材料清单。

两个图表显示参考设计效率 图5.参考设计实现效率大于90%。来源:英飞凌

参考设计还实现了15 W / IN的功率密度3.在55(l)×25(w)×25(h)mm(图5.)。该适配器已被证明可以承受最坏情况下560V峰值的主侧。在产生热量方面,组件温度不超过100°C。

在该适配器上进行的排放测试已确认其符合EN 55022 (CISPR 22) B类测试标准,这得益于可配置的频率抖动,这有助于改善重载和最大开关频率下的EMI特征。适配器也完全满足待机电源要求;在所有交流输入电压下,45w的设计输出的备用功率小于30mw。该设计也可以很容易地增强,以支持高达65w的功率输出水平。

本文最初发布经济日报

王泽Infineon Technologies的资深工作人员是高级员工。

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