用于USB PD適配器的FFRZVS電路設(shè)計(jì)方案

通過將接口信號(hào)和電源組合在一根電纜中，USB有潛力滿足簡(jiǎn)化微型電源適配器設(shè)計(jì)的需求。如今，自1996年問世以來的第四代通用串行總線（USB）已標(biāo)準(zhǔn)化了計(jì)算機(jī)連接性，取代了諸如串行端口和并行端口之類的接口，并已成為為各種便攜式設(shè)備充電的首選電纜。

USB 3.0中指定的千兆位速度使該總線成為取代與PC和筆記本電腦相關(guān)的所有類型電纜（包括顯示器，外部磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)和掃描儀）的有力競(jìng)爭(zhēng)者。最重要的是，通過USB供電（USB PD）規(guī)范，USB還可以消除電源線。

USB PD于2012年開發(fā)，旨在為所有USB設(shè)備創(chuàng)建可互操作的充電標(biāo)準(zhǔn)，目前已進(jìn)行了第三次修訂。它已演變?yōu)槟軌驗(yàn)橛脖P驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)和類似設(shè)備供電的充電應(yīng)用程序，功率級(jí)別最高為100 W，電壓在5至20V之間。USB電纜可能很快將成為為筆記本電腦供電以及將各種外圍設(shè)備連接到筆記本電腦所需的唯一東西。通過突破5V時(shí)的7.5 W功率限制，USB PD還為智能手機(jī)電池的更快充電提供了可能性。

電源小型化

小型電源的設(shè)計(jì)要求工程師在樣式和效率之間找到平衡，同時(shí)確保符合多種電氣標(biāo)準(zhǔn)和安全要求。開關(guān)電源（SMPS）已成為筆記本電腦等設(shè)備的常見解決方案，因?yàn)樗鼈兊母咝曙@著降低了功耗并降低了散熱，從而可以將它們封裝在較小的外殼中。

隨著SMPS設(shè)計(jì)的成熟，以不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）工作的準(zhǔn)諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器（QRC）已成為高密度AC-DC設(shè)計(jì)的首選拓?fù)?，因?yàn)樗鼫p輕了開發(fā)挑戰(zhàn)并提供了更穩(wěn)定的環(huán)路控制比其他選擇。準(zhǔn)諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器（也稱為可變頻率或谷值開關(guān)反激）利用寄生諧振特性來控制開關(guān)MOSFET的導(dǎo)通電壓，從而降低了開關(guān)損耗（圖1）。

圖1準(zhǔn)諧振開關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本操作說明了它如何利用寄生諧振特性來控制開關(guān)MOSFET的導(dǎo)通電壓。資料來源：英飛凌

圖1B顯示了Vds波形中的諧振振蕩，它是由寄生電感，電容（L泄漏）和CD引起的。諧振導(dǎo)致Vds中的“谷”點(diǎn)，并且在準(zhǔn)諧振（QR）或谷底開關(guān)反激中，電路控制器配置為在最小谷點(diǎn)處導(dǎo)通MOSFET。可以對(duì)控制器進(jìn)行編程，使其在不同的谷點(diǎn)處開啟。它總是在第一個(gè)谷打開的地方，這被稱為自由運(yùn)行的QR反激。在這種模式下，諧振頻率和開關(guān)頻率隨負(fù)載而變化，在較高負(fù)載下頻率最小。

盡管具有優(yōu)勢(shì)，QRC設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)USB小型化所需的密度。盡管在低線情況下，MOSFET實(shí)際上以零電壓開關(guān)（ZVS）模式工作，但在高線情況下卻并非如此，這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的開關(guān)損耗。可以修改基本QRC設(shè)計(jì)以幫助減少這些損失。一個(gè)緩慢的反向恢復(fù)二極管可以將一些耗散的能量推回到大容量電容器或輸出中（圖1A）。重要的是要注意，盡管這種方法減少了高線路輸入時(shí)的損耗，但會(huì)導(dǎo)致低線路輸入時(shí)的損耗更高。

設(shè)計(jì)上的考慮，例如使用具有更高輸出電容（COSS）的MOSFET以及低Rds（ON）器件，也可以幫助限制導(dǎo)通和泄漏損耗。但是，負(fù)載和開關(guān)頻率之間的關(guān)系給QRC拓?fù)鋷砹诉M(jìn)一步的困難，因?yàn)樵诜逯倒β仕缴献儔浩鞯睦寐是芳?。這種現(xiàn)象是造成觸摸屏應(yīng)用中共模噪聲干擾的原因。

隨著電源適配器尺寸壓力的增加，制造商已開始通過在PCB中加入繞組來簡(jiǎn)化生產(chǎn)。它要求高于100 kHz的開關(guān)頻率以最大程度地減少銅損。在這種情況下，強(qiáng)制頻率諧振零電壓開關(guān)（FFRZVS）設(shè)計(jì)提供了最佳解決方案。

在這些設(shè)計(jì)中，開關(guān)是在初級(jí)變壓器的零電壓點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。它減少了電源開關(guān)的導(dǎo)通損耗和散熱，并提高了效率。FFRZVS電路的高頻操作可以減小磁性元件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)高密度和緊湊的電源。

FFRZVS的工作原理

通過對(duì)基本QR設(shè)計(jì)進(jìn)行較小的更改，可以顯著減少FFRZVS的導(dǎo)通損耗并提高效率。這些變化如圖2所示，該圖顯示了基于InfineonXDPS21071FFRZVS DCM控制器的FFRZVS參考設(shè)計(jì)。

圖2FFRZVS參考設(shè)計(jì)圍繞反激控制器IC構(gòu)建。資料來源：英飛凌

附加的零電壓繞組與主繞組和輔助繞組一起被添加到電路的原邊，用于過零檢測(cè)。零電壓繞組ZWVS，以及電容器，電源開關(guān)，QZVS，低端柵極驅(qū)動(dòng)器和RG1被添加到電路中，從而實(shí)現(xiàn)了自控ZVS周期。

圖3該圖顯示了FFRZVS設(shè)計(jì)的操作順序。資料來源：英飛凌

當(dāng)初級(jí)MOSFET QM在t0截止時(shí)，在同步整流器QSR導(dǎo)通之前會(huì)有一個(gè)短的消隱期，導(dǎo)致電流流經(jīng)次級(jí)繞組WS。當(dāng)該勵(lì)磁電流降至零時(shí)，在t1時(shí)QSR關(guān)閉，并且初級(jí)側(cè)繞組上的諧振電路在電壓Vbulk周圍引起振蕩。在t2時(shí)刻，ZVS MOSFET導(dǎo)通，從而使額外的繞組ZVS發(fā)揮作用。在勵(lì)磁電流為零的主MOSFET諧振峰值處接通ZVS會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)的勵(lì)磁電流。

一旦該電流在t3達(dá)到峰值，ZVS MOSFET將再次關(guān)斷，從而使勵(lì)磁電流反向。這會(huì)釋放等效電容，從而導(dǎo)致主MOSFET的漏極電壓在t4導(dǎo)通時(shí)達(dá)到最小值。在其漏極-源極電壓最低的這一點(diǎn)開啟，將導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大大降低，接近真正的ZVS的損耗。

上面的描述著重指出了控制器在FFRZVS的實(shí)現(xiàn)中所起的重要作用，它基于對(duì)輸出電壓的測(cè)量來決定時(shí)序的精度。

用于USB PD適配器的FFRZVS

基于此工作原理的USB PD適配器的參考設(shè)計(jì)如圖4所示。所使用的固定頻率ZVS控制器是專門針對(duì)高密度電源適配器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它能夠以多種模式工作，包括不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），ZVS，降頻模式（FRM）和突發(fā)模式（BM），以確保在不同的線路和負(fù)載條件下的效率。

圖4USB PD適配器的參考設(shè)計(jì)基于FFRZVS工作原理。資料來源：英飛凌

數(shù)字和模擬外設(shè)支持反激操作所需的各種信號(hào)采樣和調(diào)節(jié)技術(shù)。內(nèi)置的高壓啟動(dòng)單元使IC電源在空載運(yùn)行期間更加高效和靈活，高壓電路提供電壓監(jiān)控以及欠壓和欠壓保護(hù)。

模式切換和時(shí)序控制由具有可配置的非易失性O(shè)TP存儲(chǔ)器的nano-DSP處理。這種可編程功能可簡(jiǎn)化PCB布局并減少材料清單。

圖5該參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了90％以上的效率。資料來源：英飛凌

該參考設(shè)計(jì)還以55（L）×25（W）×25（H）mm的外形尺寸實(shí)現(xiàn)了15 W / in3的功率密度（圖5）。已證明該適配器可承受一次側(cè)最壞的560V峰值。在發(fā)熱方面，組件溫度不超過100°C。

由于可配置的頻率抖動(dòng)，在此適配器上進(jìn)行的發(fā)射測(cè)試已確認(rèn)其符合EN 55022（CISPR 22）B類測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這有助于改善重載和最大開關(guān)頻率下的EMI信號(hào)。該適配器還完全滿足備用電源要求；45 W設(shè)計(jì)在所有AC輸入電壓下的待機(jī)功耗均不到30 mW。該設(shè)計(jì)還可以輕松擴(kuò)展以支持高達(dá)65 W的功率輸出水平。

Wang Zan是Infineon Technologies的高級(jí)人事工程師。

編輯：hfy