智能手機等移動(dòng)設備對AC-DC適配器功率增大的需求和尺寸縮小的要求是矛盾的,電源IC廠(chǎng)商必須想出新的辦法,開(kāi)發(fā)出更加小型化的適配器...電子設計模塊
近年來(lái),快速充電技術(shù)的發(fā)展讓智能手機充電速度大幅提升,“充電五分鐘,通話(huà)兩小時(shí)”更是成為vivo的經(jīng)典廣告詞??斐浼夹g(shù)本質(zhì)上是提升充電功率,功率需求的增加,意味著(zhù)產(chǎn)生移動(dòng)性受限的更大的AD-DC適配器。對于這個(gè)趨勢,很多電源IC廠(chǎng)商都致力于開(kāi)發(fā)縮減電源尺寸的方案。
3月19日,TI(德州儀器)新推出市面上第一款量產(chǎn)的UCC28780有源鉗位反激式控制器,以及第一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對有源鉗位反激式控制器設計的同步整流器控制器,UCC24612。這兩者的結合能將開(kāi)關(guān)的工作頻率提高到1MHz,幫助將AC/DC適配器和USB PD充電器的電源尺寸減半。
TI高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示:“消費者希望以更小的尺寸實(shí)現更快速的充電,這些新解決方案不僅能夠實(shí)現這一目標,而且還能使設計人員以更低的功耗實(shí)現比之前更多的功能。”
有源鉗位反激:以更小空間釋放更多電力
對于A(yíng)C-DC電源,由于簡(jiǎn)單,反激式轉換器是首選的拓撲結構。理論上來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)頻率越高電源的尺寸越小,因為縮減了變壓器以及電容電感等無(wú)源器件的體積。但實(shí)際上,太高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致更多的變壓器漏感,以熱能的方式散發(fā)出來(lái),不但影響轉換效率,還易損壞元器件。因此,市面上的反激式開(kāi)關(guān)電源的工作頻率大多在幾十KHZ,而此次TI發(fā)布了高達1MHZ的UCC28780有源鉗位反激式控制器。與UCC28780一同搭配的是UCC24612同步整流控制器,同樣支持高達1MHZ的開(kāi)關(guān)頻率。
“準諧振反激器一直是首選的拓撲結構,以往業(yè)界都是通過(guò)減小變壓器漏感來(lái)縮減電源尺寸。直到現在,我們認為有源鉗位反激打破了這個(gè)平衡,有源鉗位可存儲能量并將其傳輸至輸出,并提供零電壓開(kāi)關(guān),這樣消除了兩大主要損耗來(lái)源,使得尺寸大大縮小。”TI系統及應用工程經(jīng)理John Stevens說(shuō)道。
圖:John Stevens 先生在介紹有源鉗位反激式芯片組
但細節是關(guān)鍵,因為如果有源鉗位得不到智能控制,它實(shí)際效果會(huì )變差。為此,TI專(zhuān)門(mén)為有源鉗位反激電路開(kāi)發(fā)了高達1MHZ的智能控制器UCC28780,讓反激式電源以更小的外形尺寸達到高性能。
UCC28780+ UCC24612的優(yōu)勢主要體現在以下三個(gè)方面:
第一, 消除開(kāi)關(guān)損耗并降低EMI,以適當的控制鉗位,實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。值得一提的是,零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)被視為由高頻及更高效率要求而帶來(lái)的所有挑戰的應對妙法,其原理是在零電壓下導通,在零電流下關(guān)斷,以消除所有開(kāi)關(guān)損耗。
但在實(shí)際應用中,電路設計者只能估算何時(shí)出現零電壓和零電流,因而零電壓開(kāi)關(guān)很難實(shí)現完美同步。John Stevens表示,UCC28780通過(guò)創(chuàng )新的ZVS算法可以精準地抓取零點(diǎn)電壓,進(jìn)而降低開(kāi)關(guān)損耗,這是TI獨到的優(yōu)勢。
此外,UCC28780還支持氮化鎵(GaN)場(chǎng)效應晶體管(FET),進(jìn)一步降低輸出電容和導通電阻,縮減適配器尺寸。據了解,采用了GaN場(chǎng)效應晶體管的有源鉗位反激式電路的轉換效率高達94%-95%,大約比普通的硅基場(chǎng)效應晶體管提升了2%的效率。
第二,小尺寸。更低的開(kāi)關(guān)損耗讓該芯片組可在高達1MHz的頻率下實(shí)現高效運行,可以縮減變壓器、無(wú)源器件的體積,并省去了散熱片。與目前的解決方案相比,可將整體尺寸縮小50%,而且功率密度更高。
第三,高效率。通過(guò)循環(huán)泄露能量并將其傳遞到輸出端的方式提升效率,多模態(tài)控制在滿(mǎn)載情況下可實(shí)現高達95%的效率,待機功耗小于40mW,超過(guò)CoC Tier 2和美國能源部(DoE)VI級能效標準。
圖:吳渭強先生在介紹有源鉗位反激式芯片組的優(yōu)勢
據了解,TI新推出的有源鉗位反激式芯片組支持20W-150W的功率范圍,主要面向高功率的市場(chǎng)。其中,對于75W以上的功率需求,TI還提供了一款UCC28056 PFC控制器。由于PFC(功率因子校正)的增加會(huì )降低轉換效率,UCC28056可在10%負載下實(shí)現超過(guò)90%的效率,并且只有25mW的待機功耗,因而可以始終開(kāi)啟,減少元器件數量。UCC28056主要面向的市場(chǎng)是數字電視、臺式電腦、筆記本適配器、電動(dòng)工具和其他AC/DC應用。
最后,TI還展示了UCC28780EVM、UCC24612EVM這兩款開(kāi)發(fā)板,售價(jià)為499美元和100美元。而針對目前市場(chǎng)火爆的USB Type-C AC-DC適配器,TI還有一款65W的參考設計,具有85-265V AC的寬輸入電壓范圍,該設計以非常高的開(kāi)關(guān)頻率和30W/in3的功率密度實(shí)現92%的峰值效率。