作者：Maurizio Di Paolo Emilio

由于高效率、低功耗和減少占地面積等非常嚴(yán)格的要求，對(duì)節(jié)能的需求變得越來越難以滿足。對(duì)于廣泛應(yīng)用于電源應(yīng)用中的AC/DC 轉(zhuǎn)換器，需要進(jìn)一步優(yōu)化電路。

AC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)通常涉及高壓和變壓器的使用，這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了越來越困難的挑戰(zhàn)。

然而，市場(chǎng)上越來越多的集成控制電路的出現(xiàn)部分促進(jìn)了這項(xiàng)任務(wù)，能夠簡(jiǎn)化高效 AC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，減少外部組件的數(shù)量和電路的整體尺寸。

反激式轉(zhuǎn)換器

圖 1 所示的反激式轉(zhuǎn)換器是制造電源和充電器最廣泛使用的拓?fù)渲?。該電路需要一個(gè)具有高開關(guān)頻率的晶體管、一個(gè)變壓器（能夠確保輸入和輸出之間的電流隔離）和其他幾個(gè)組件。其工作原理是在晶體管Q1導(dǎo)通時(shí)將磁能儲(chǔ)存在變壓器鐵芯中，然后在晶體管關(guān)斷時(shí)將其傳遞給負(fù)載。

圖 1：反激式轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)頻率越高，轉(zhuǎn)換器越小。然而，開關(guān)頻率受到一些因素的限制，首先是變壓器漏感。每次切換FET Q1時(shí)，變壓器寄生電感存儲(chǔ)的能量由鉗位電路耗散，鉗位電路由 R1、C1和 D1 組成。如果開關(guān)頻率太高，功率損耗會(huì)變得太高，有可能對(duì)轉(zhuǎn)換器造成無法修復(fù)的損壞。

為了克服這個(gè)問題，使用了稱為有源鉗位解決方案，它涉及使用一個(gè)第二晶體管，Q的2，以及電容器。有源鉗位不會(huì)試圖耗散電阻器中的泄漏能量，而是將其存儲(chǔ)在鉗位電容器中，然后將其回收到負(fù)載。通過應(yīng)用有源鉗位控制，還可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，這是一種顯著提高轉(zhuǎn)換器效率的條件。具有有源鉗位的反激式轉(zhuǎn)換器的示例如圖 2 所示，在這種情況下，鉗位晶體管 Q2是 P 溝道 FET。

圖 2：具有有源鉗位的反激式轉(zhuǎn)換器

此外，如果使用氮化鎵 (GaN) 晶體管代替普通的硅 FET 晶體管，則達(dá)到 ZVS 條件所需的能量將顯著降低，從而允許更高的開關(guān)頻率和更小的電路。

有源鉗位需要一個(gè)智能控制電路，能夠非?？焖俚貏?dòng)作。有源鉗位電路允許通過回收否則耗散的泄漏能量和減少開關(guān)損耗來獲得更高的效率。此外，由于有源鉗位 FET 的軟開關(guān)和較小的開關(guān)電壓，它允許實(shí)現(xiàn)較低的 EMI。

Silanna ACF 轉(zhuǎn)換器

Silanna Semiconductor 總部位于加利福尼亞州圣地亞哥，專門提供具有一流功率密度和效率性能的設(shè)備，幫助客戶實(shí)現(xiàn)前所未有的 BoM 節(jié)省。Silanna Semiconductor 的 AC/DC 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器 IC 正在利用最新的數(shù)字和模擬控制和設(shè)備技術(shù)推動(dòng)旅行適配器、筆記本電腦適配器、電器電源、智能計(jì)量、計(jì)算、照明、工業(yè)電源和顯示電源方面的關(guān)鍵創(chuàng)新。

SZ1110 和 SZ1130 器件是完全集成的有源鉗位反激 PWM 控制器，集成了自適應(yīng)數(shù)字 PWM 控制器和以下超高壓 (UHV) 組件：有源鉗位 FET、有源鉗位柵極驅(qū)動(dòng)器和啟動(dòng)穩(wěn)壓器。這種前所未有的集成水平有助于設(shè)計(jì)高效、高功率密度的適配器，并且具有較低的 BoM 成本，以滿足耗電的手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和視頻游戲機(jī)。

這些器件使簡(jiǎn)單的反激式控制器易于設(shè)計(jì)，具有 ACF 設(shè)計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)，包括反激式變壓器的漏電感能量的再循環(huán)和在關(guān)斷事件期間限制初級(jí) FET 漏極電壓尖峰。SZ1110 和 SZ1130采用 Silanna 的 OptiModeTM數(shù)字控制架構(gòu)，逐周期調(diào)整器件的工作模式，以保持高效率、低 EMI、快速動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)和其他關(guān)鍵電源參數(shù)。因此，65W 通用輸入 AC/DC 電源的全硅實(shí)施可以實(shí)現(xiàn) > 94% 的效率，并在不同的負(fù)載/線路/溫度條件下保持平坦的效率曲線。

此外，開關(guān)頻率被限制在一個(gè)緊密的頻帶內(nèi)，以簡(jiǎn)化 EMI 濾波。此外，有源鉗位操作的自適應(yīng)數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)初級(jí) FET 的接近 ZVS 導(dǎo)通，并在關(guān)斷期間鉗位漏極電壓，從而進(jìn)一步提高效率并降低 EMI。

與傳統(tǒng)的 ACF 設(shè)計(jì)不同，在大批量生產(chǎn)中，電路的正常運(yùn)行不需要鉗位電容器和漏電感值的嚴(yán)格公差。此外，一個(gè)小的 3.3 nF 鉗位電容器足以實(shí)現(xiàn) ACF 操作的好處。SZ1110 和 SZ1130 非常適合高效率和高功率密度的 AC/DC 電源適配器。這些設(shè)備專為高達(dá) 33 W (SZ1110) 和高達(dá) 65 W (SZ1130) 的輸出功率而設(shè)計(jì)，包括 USB-PD 和快速充電應(yīng)用。

當(dāng)今的市場(chǎng)趨勢(shì)，尤其是便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，需要更大的電池和更快的充電操作，這意味著需要從電源適配器獲得更多功率。電路的整體尺寸是另一個(gè)相關(guān)的關(guān)鍵因素，因?yàn)樵荚O(shè)備制造商希望在相同尺寸或??更小的電源適配器中獲得更多功率（更高的功率密度和更高的效率）?，F(xiàn)有的解決方案正在達(dá)到極限，新的創(chuàng)新方法正在取代它們。

SZ1110 和 SZ1130 ACF PWM 控制器能夠?qū)崿F(xiàn)超過 94% 的效率、在通用 (90 – 265 VAC) 輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)的平坦效率曲線、高達(dá) 146 kHz 的開關(guān)頻率操作以及集成過熱 (OTP)、過16 引腳 SOIC 封裝中的電壓 (OVP)、過流 (OCP)、過功率 (OPP) 和輸出短路 (OSCP) 保護(hù)。如圖3所示，基于全球首款全集成有源鉗位反激控制器Silanna SZ1130的65W USB-PD評(píng)估板在20V/3.25A輸出和230 VAC輸入下實(shí)現(xiàn)了94.7%的效率，提供65W最大輸出功率在小尺寸 PCB (45mm x 45mm) 中。

圖 3：基于 SZ1130 的評(píng)估板

編輯：hfy