新式数字反激操控芯片轻松完成高效高功率密度USB PD快充规划

作者 / 英飞凌公司

　　摘要：首要介绍USB PD运用中的ZVS反激操控器
，例如手机电脑快充等。首要对操控器的特征、维护、作业和操控原理进行阐明和评论。合适充电器适配器规划人员以及对数字型ZVS反激操控器感兴趣的电源工程师阅览。

　　要害词：反激;操控;USB PD;快充;零电压开关

　　0 导言

　　顾客体会到快充给手机电脑的运用带来了许多的便当，但玲琅满目的快充协议也给用户带来必定的困惑，例如商场上有MTK 的 PE+ 、高通的 QC 4+、
OPPO 的 VOOC、华为的 FCP/SCP，等等，它们往往需求专门的充电器。USB-PD
这个时分得到大范围设备支撑，得益于它兼容了其他的快充规范，使得在为数码电子设备充电时不需求有必要运用厂家专用充电器材才能为设备完成快速充电，给咱们带来更多的快捷。

　　咱们习惯了小型简便的充电器，如安在不添加充电器体积的情况下提高更大的功率输出，而且支撑短时刻的峰值输出?这意味着需求更高的频率规划，然后缩小磁性元件和其它被迫器材的尺度，以及选用支撑高功率规划的功率器材。在高频的操作过程中，零电压开关因为可以减小自动开关器材的注册损耗而备受欢迎。各种不同的零电压开关拓扑以及相应的操控器都在开发研讨傍边。取决于输出电流巨细，CCM/DCM一般被选用于不同的运用场景。关于USB
PD运用，因为输出可变使得定频操控形式下CCM 不可避免。因为定频操控可以使EMI和体系规划相对简单。

　　英飞凌XDPS21061数字电源计划可以为工程师处理这便当的困扰，数字化电源计划可以提高功率，削减开发周期和体系本钱，而且可以加强产品的灵敏性，完成更多的差异化。XDPS21061是一款多形式数字式操控器，它一起适用于DCM和CCM
两种作业形式，内部嵌入高压发动单元。该发动单元使得该IC的供电电压在零负载时愈加高效和灵敏。操控器中的微DSP就像芯片的大脑，它使该操控器比传统的硬件混合信号愈加聪明和智能化。XPDS21061的数字和模仿外围设备支撑各种信号采样和调控，使其成为反激操作的抱负挑选。一起它调集了不同的作业形式，如接连形式(CCM)、零电压开关(ZVS)形式、降频形式和突发形式，使得它在不同负载和输入电压下获得最佳的功率。此外，还集成了一次性可编程(OTP)内存，可以供给广泛的可编写参数，然后简化规划。数字可装备的引脚简化了体系的BOM/PCB布局，不像混合信号IC那样需求很多的外置电阻/电容网络来调理参数。

　　在本文的最终还介绍了怎么更好地运用高功率功率器材(如CoolMOS™和OptiMOS™)以及封装，让规划愈加具有竞争性。

　　1 准谐振反激拓扑面对的困难

　　公式1是准谐振反激电路在第一个谷底的开关损耗。Cpara包括MOSFET输出电容和变压器耦合电容。因而在低压输入下，反激准谐振几乎是零电压开关，可是在高压输入条件下，依然有十分高的开关损耗。

　　(公式1)

　　另一个与拓扑相关的损耗是主MOSFET的吸收网络，而且很难算出损耗的精确数值。

　　在主MOSFET封闭后，在能量注入到吸收网络之前，原边峰值电流首先给主MOSFET的寄生电容进行充电。因而电容越大，寄生电容中贮存的能量就越多，吸收网络的损耗就越少。关于硬开关拓扑，寄生电容中的损耗彻底丧失掉的。可是关于准谐振反激，这些能量的部分可以被收回。关于彻底的ZVS，即使是高压输入，大部分能量也是可以被收回运用的。

　　注入吸收网络的能量为(0.5*Llk*ipk²-0.5*Cpara*Vsw²)。可是，这并不是悉数损失掉，这取决于运用的吸收二极管。运用慢反向恢复二极管可以将部分能量收回至电容或输出，如图1所示。吸收网络仅在V_sw-V_clamp-V_bus>0时作业。这意味着吸收电路的损耗会在高压输入时较高而低压输入时较低。较大的Coss能吸收更多的能量，运用ZVS操控器，意味着更多的吸收能量可以被收回。此外，选用低阻抗的MOSFET可以用来削减导通损耗，一起对吸收部分的耗费也有协助。

　　另一个问题是，QR flyback在重载条件下作业频率最低，因为变压器的运用问题这对峰值功率的运用来说是晦气的。

　　QR操控频率改变的问题很简单导致触摸屏的共形式噪声搅扰。

　　为了简化变压器的出产，提出了依据PCB(印制板)的绕组规划。为了削减铜损，频率要求高于100 kHz。此外因为PCB
绕组耦合电容变大，开关损耗也会随之添加。因而一个定频的ZVS 反激操控器必不可少。

　　2 强制频率谐振零电压开关(FFRZVS)作业原理描绘

　　图2显现了ZVS反激电路典型的PWM
时序和相关的要害波形。在主MOSFET封闭之后的时刻t4，同步整流(SR)MOSFET将会在一段消隐时刻延时之后导通。在时刻t5，当消磁电流趋于零时，SR
MOSFET封闭，然后激磁电感Lp和Ceqv将会谐振。主MOSFET的电压将从Vbulk+Vrefl谐振到Vbulk-Vrefl，Vrefl=Nps*Vo。假如辅佐MOSFET在t1注册，那么主MOSFET谐振在峰值就意味着激磁电流为零，那么imag就会负向添加。在此受控的ZVS注册时刻段，主MOSFET的Vds被钳位在电压Vbulk+Vrefl上。一旦峰值电流到达i_zvs_pk，就会封闭辅佐
MOSFET，因为电流存储在磁化电感中而且反相，它将持续向这个方向活动，并开释贮存在Ceqv中的能量。这个死区时刻是由IC的
t_ZVSdead参数操控的而且是可装备的。在t3时刻，主MOSFET的漏极电压到达最小值，翻开主MOSFET，此刻到达最低注册损耗。从图中可以看出，ZVS所需能量与Vbulk成正比，ZVS
MOS的注册时刻也是如此。

　　MFIO电压是在主MOSFET注册经过一段前沿消隐(LEB)时刻后进行采样的。依据这个电压，IC会知道下一个周期的开关频率，例如开关时刻T_sw。因为ZVS
注册时刻和ZVS的死区时刻也是已知的，T_sw-T_zvson-T_zvsdead 决议了ZVS MOSFET注册时刻点。

　　磁化电感用于完成ZVS，所以ZVS只在DCM中有用。用于完成ZVS操控脉冲GD1，只需求其间部分能量的完成ZVS功用，剩下部分将回馈体系。

　　3 适配器中功率MOSFET 的选型

　　针对手机快充华夏边MOSFET的挑选. 咱们首要从散热、功率、本钱、安装……等几个方面考虑。现在大多数用于手机充电器的功率MOSFET
没有加额定的散热器。这其间考虑到布局的便当，以及本钱的问题。因而挑选MOSFET的封装时，需求考虑到最大负载情况下温度是否满意要求，一般咱们可以丈量器材的外表温度，然后经过公式Tj=Tc+P*Rthjc
(Tc 为器材壳温，P 为器材的耗散功率，Rthjc为该封装热阻) 来核算结温是否满意规划要求。

　　因为本钱和空间的要求，其间对器材自身需求具有必定的功率耗散才能，一起也需求满意小尺度的要求以提高整机的功率密度。一般这两者之间是彼此违背的。所以咱们会折中考虑。TO247
和D2PAK
此类封装尽管散热功用杰出，可是因为封装自身尺度偏大，并不太适用小型化规划。而一些更小的封装因为自身散热才能问题需求添加额定的散热器，然后添加散热本钱。因而，咱们一般考虑ThinPAK
封装，如图3所示，该封装统筹散热和小尺度的需求，寄生参数也远远比TO
封装小得多，有利于削减尖峰电压。别的它的特点是功率地和驱动信号地离隔，这样大大削减因为MOSFET 源极寄生电感带来的搅扰。对体系驱动的稳定性和EMC
规划有较大协助。

　　别的TO220 FP
窄脚封装可以支撑直立出产，下降PCB外表连锡危险，一起满意安规绝缘封装、易于安规规划等长处也被广泛地运用于各种充电器规划傍边。咱们在65 W
单输出规划中选用了英飞凌ThinPAK IPL60R125C7，40 W 规划中选用了TO220 FP IPAN70R600P7S。

　　副边同步整流MOSFET，较为常见的是SSO8(PQFN
5×6)的封装。依据不同变压器规划和输出电压，可以挑选不同电压等级的MOSFET。但关于手机快充来说，一般同步整流操控器由输出直接供电，因为兼容低压输出如5 V
或3.3 V。因而对应MOSFET驱动电压也是5 V、3.3 V。在此驱动电压下一般驱动的MOSFET 并不能作业在饱满区域，因为一般驱动等级的MOSFET
的饱满驱动电压在7.5 V左右。因而咱们关于此类运用应挑选逻辑电平 MOSFET。咱们在40 W规划中选用逻辑电平驱动MOSFET
BSC0802LS可以在4.5 V 逻辑电平下饱满导通，可以有用下降同步整流MOSFET 的导通损耗。一起低驱动电压可以进一步下降MOSFET
的驱动损耗，提高功率。

　　4 简化运用图

　　图4显现了一款40
W快速充电器规划中选用XDPS21061的简化运用图。与传统的反激和有源嵌位(ACF)比较，它在原边有一个额定的ZVS绕组，以及一个电容、开关器材和一个低端的门极驱动。无需高端驱动和高电压MOSFET并完成零电压注册，因而体系本钱很低。

　　5 轻载作业的设定

　　突发形式关于初级AC/DC操控IC满意空载要求是很重要的。一般，当反应低于某个值时，操控IC会进入突发形式。为了削减输出电压纹波，突发形式的迟滞需求尽可能小。这对变输出电压规划具有很强的挑战性。可是，由所以数字操控，XDPS21061依据查表方法进入突发形式，它依据不同的输出电压然后挑选不同的突发形式进入条件。

　　6 65 W 单输出适配器规划实例

　　咱们运用FFRZVS操控器规划了一款65 W全电压输入的适配器。输入90~264 Vac，输出20 V/3.25 A，开关频率Fsw =120
kHz，变压器磁芯选用RM8，匝比Np:Ns=5，Lp=12 µH，输入电容120 µF，原边MOSFET 选用IPL60R125C7，ZVS MOSFET
选用BSL606SN，同步整流SR MOSFET 选用BSC093N15NS5G，SR操控器选用UCC24630。因为散热约束，功率密度可达 15
W/inch3，其间输入部分包括一个共模电感和一个差模电感。

　　7 依据dpVision® 的可装备人机操作界面

　　经过一个UART
引脚可以装备各种参数，体系BOM(物料清单)是适当简化的。因为许多运用相关的参数都是可调整的，所以操控器可以依据不同的体系规划而量身定制。例如，可装备频率规律可用于调整最大频率，以习惯不同的磁芯形状，并调整半载功率，以平衡导通损耗和开关损耗。也可对突发形式参数进行装备以用于调整突发形式进出功率。

　　8 总结

　　XDPS21061是一个依据微DSP的多形式数字操控器，可以作业在不同的电流形式，内部嵌入高压发动单元，可调驱动电流，统筹数字和模仿芯片长处。人性化人机操作界面，轻松装备体系参数。可以使电源工程师完成高自由度的差异化化规划。依据XDPS21061的快充65
W/40 W规划，选用强制频率谐振，在应对USB PD 可变输出电压下自习惯限流，一起整合英飞凌CoolMOS™，OptiMOS™
等高效功率器材在完成高效规划时挥洒自如。可选的抖频功用进一步优化EMI 作用然后获得更高的性价比。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第23页，欢迎您写论文时引证，并注明出处