高能效、小尺寸240W USB PD3.1寬范圍調(diào)壓器參考設(shè)計(jì)

現(xiàn)今開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的五大難題：（1）高效率，（2）高功率密度，（3）低待機(jī)功耗，（4）高可靠性，（5）低成本。隨著PD與適配器行業(yè)發(fā)展，更大容量電池需具備相同或更快充電時(shí)間的趨勢(shì)正在加速采用，更大的功率及更高的輸出電壓。USB PD組織發(fā)布了最新的USB PD3.1 規(guī)范，使得最大的輸出達(dá)到48V 5A, 240W的功率。單管反激作為 AC-DC 中小功率段的主流應(yīng)用拓?fù)?，憑借其線性可控的工作模式和通俗易懂的控制邏輯為廣大工程師所熟知和使用。而隨著反激應(yīng)用功率段的提升，單管在漏感能量處理方面的缺陷越發(fā)明顯，致使 150W 以上應(yīng)用時(shí)效率偏低和漏感電壓尖峰偏高的問(wèn)題無(wú)法解決。LLC拓?fù)淠軌驖M足高效率的要求，因而日益流行。然而在這種拓樸中，前PFC級(jí)必須在輕負(fù)載期間保持運(yùn)作，造成諧振回路中存在內(nèi)循環(huán)損耗，待機(jī)功耗成為一個(gè)頭疼問(wèn)題，并且無(wú)法寬范圍調(diào)壓，需要加一級(jí)協(xié)議電路進(jìn)行降壓調(diào)壓，從而降低了效率。

雙管反激式拓?fù)淠軌蜉p松應(yīng)對(duì)240W左右功率段，并且效率較高且還可以做到寬范圍調(diào)壓和低待機(jī)功耗幾大挑戰(zhàn)的解決方案，非常適用于PD與適配器行業(yè)，滿足USB PD3.1 EPR規(guī)范。

雙管反激主要特點(diǎn)：

雙管QR反激轉(zhuǎn)換器主要特點(diǎn)分為四個(gè)方面，它在低待機(jī)功耗、高效率、易于設(shè)計(jì)和低EMI方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。在低待機(jī)功耗方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器能容易滿足要求。在高效率方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)表現(xiàn)在漏電感能量可以回收至輸入，且無(wú)需有損耗的緩沖器；500V MOSFET可以用在初級(jí)端；初級(jí)端采用谷底開(kāi)關(guān)以降低開(kāi)關(guān)損耗；減小次級(jí)端整流器的電壓應(yīng)力。雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，它與熟知的傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相同，并且可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)變壓器批量生產(chǎn)。它可以使大匝比變壓器，無(wú)需特別考慮泄漏電感。在EMI方面，雙管QR反激轉(zhuǎn)換器具有低EMI，漏極過(guò)沖電壓被箝制在輸入電壓上；谷底開(kāi)關(guān)等特點(diǎn)。

雙管反激基本工作原理

一、開(kāi)關(guān)模態(tài) 1[t0 ~ t1]

圖1：t0~t1

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t0時(shí)刻S1與S2已開(kāi)通，原邊續(xù)流二極管已截至，直流輸入電壓Uin給Lm與Lr線性充電，電流iLr線性上升，副邊繞組電流i2在t0時(shí)刻下降至零，整流二極管D3關(guān)斷，負(fù)載由電容C供電。在這一過(guò)程中D3承受的反壓為U0+(N2/N1)Uin，D1、D2承受的反向電壓為Uin。
二、開(kāi)關(guān)模態(tài) 2[t1 ~ t2]

圖2：t1~t2

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在t1 時(shí)刻同時(shí)關(guān)斷S1、S2，漏感電流iLr開(kāi)始下降，電感變壓器兩端電壓反向，使得二極管D1、D2 立即導(dǎo)通，箝制了由于漏感所引起的原邊繞組感應(yīng)電勢(shì)使之箝位在輸入電壓Uin，S1、S2所承受的反向電壓均為Uin，同時(shí)這部分漏感能量也導(dǎo)致了副邊繞組電流i2的緩慢形成，副邊繞組感應(yīng)電勢(shì)將使D3 導(dǎo)通，從圖4中電流的波形可以看出，在電流ic過(guò)零前，負(fù)載由電容C及電感儲(chǔ)能一起供電；在電流ic過(guò)零后，電感儲(chǔ)能給電容C充電同時(shí)給負(fù)載供電。

三、開(kāi)關(guān)模態(tài) 3[t2 ~ t3 ]

在t2時(shí)刻iLr下降到零，D1、D2關(guān)斷，i2達(dá)到最大值，之后i2從正向最大值線性下降，繼續(xù)給電容C充電和向負(fù)載供電。S1、S2所承受的反向電壓均降為[Ui + (N1/N2 )Uo ]/2，D1、D2所承受的反向電壓均為[Ui?(N1/N2 )Uo]/2。

圖3：t2~t3

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四，開(kāi)關(guān)模態(tài) 4[t3 ~ t4 ]

圖4：t3~t4

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在t3 時(shí)刻同時(shí)開(kāi)通 S1和S2，直流電壓Uin加在變壓器原邊繞組上，隨著iLr上升，i2下降，此時(shí)副邊整流二極管D3尚未關(guān)斷，副邊繞組電流仍繼續(xù)給電容C充電和向負(fù)載供電，D1、D2所承受的反向電壓由[Ui?(N1 /N2 )Uo ] /2上升為Uin。t4時(shí)刻iLr已上升到磁化電流iLm 值，i2=0，D3反偏，隨后Lm與Lr再次線性充電，新的PWM 開(kāi)關(guān)周期又開(kāi)始了。
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圖5：穩(wěn)態(tài)原理波形

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致能科技240W氮化鎵解決方案
以下是廣東致能科技240W/15~48V輸出范圍可調(diào)，有橋PFC+雙管反激全GaN方案如圖6所示，本方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制器可選擇范圍廣。該方案高24mm，長(zhǎng)74mm，寬74mm，在這么一個(gè)薄小的設(shè)計(jì)能達(dá)到較好的效率。在230Vac和48V輸出條件下，四點(diǎn)平均能效達(dá)到95%，在230Vac和48V5A時(shí)，效率高達(dá)95.7%。

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圖6：240W-雙管反激方案電源

方案中使用廣東致能科技自主研發(fā)的Cascode結(jié)構(gòu)的D-GaN，分別是ZN65C1R070L-70mohm與ZN65C1R0200L-200mohm如下圖7所示。這種管子結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是，完整的共源共柵 D-GaN 開(kāi)關(guān)具有低壓硅MOSFET的柵極特性。所以，現(xiàn)有的商用MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器可以輕松驅(qū)動(dòng)共源共柵D-GaN開(kāi)關(guān)。另外，硅MOSFET的柵極特性是眾所周知的，因此沒(méi)有未知特性需要解決，同時(shí)致能科技GaN管具有很好的動(dòng)態(tài)電阻特性，溫度特性好。器件的柵極電荷比普通硅MOS低8倍，柵極電荷低保證器件快速開(kāi)關(guān)從而降低驅(qū)動(dòng)損耗與開(kāi)關(guān)損耗。盡管 D-GaN 器件沒(méi)有反向體二極管，但由于本身是雙向器件，因此也能夠反向?qū)?。只要它們的反向電壓超過(guò)柵 極閥值電壓，它們就可以開(kāi)始進(jìn)行導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降比e-GaN小與硅MOS相當(dāng)。
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圖7：廣東致能科技自研氮化鎵MOS

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該方案的PFC使用L4985 CCM峰值電流模式控制器，配合廣東致能科技自主研發(fā)的ZN65C1R070L-70mohm的GaN功率管組成的PFC電路，在230Vac和滿載情況下PFC的效率97.8%。該控制器具有高壓自啟動(dòng)能力，能保證PFC電路優(yōu)先啟動(dòng)輸出400V母線電壓，從而為后級(jí)提供穩(wěn)定的高壓輸入電壓，為后級(jí)變壓器大匝比提供工作條件，PFC原理如圖8所示。
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圖8：240W PFC電路原理圖

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DC-DC部分使用安森美的NCP1342高頻QR反激式脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器，使用驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)兩顆ZN65C1R200L-200mohm的GaN功率管，組成雙管反激拓?fù)浼軜?gòu)，滿載條件下頻率130KHz，變壓器采用大匝比，這樣電源能接近工作在ZVS狀態(tài)并且漏感能量能被完全回饋到電源輸入端而達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換效率。同步整流控制器MPS6908A支持高低電壓供電且外圍電路非常簡(jiǎn)單，輸出整流采用150V，9.3hohm的SJ FET BSC093N15NS5。雙管反激原理如圖9所示。

圖9：240W雙管反激與同步整流電路原理圖

能效測(cè)試

傳導(dǎo)測(cè)試

圖14：EMC-CE

待機(jī)功耗

圖15：待機(jī)功耗

溫升測(cè)試
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雙管反激變換器與LLC諧振變換器的特性對(duì)比
LLC在高壓輸入即重載時(shí)的效率表現(xiàn)非常好，但是在低壓輸入即輕載時(shí)的表現(xiàn)相對(duì)較弱?？偟膩?lái)說(shuō)在100W~300W范圍段，雙管反激的平均效率較好。它提供了與LLC諧振解決方案接近的效率，還有大幅改良的待機(jī)功率性能，與寬范圍調(diào)壓輸出特性。雙管反激式拓樸能夠成為頗具吸引力的解決方案，可替代復(fù)雜的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，用于筆記本電腦適配器、LED-TV電源、LED照明驅(qū)動(dòng)器、一體型電腦電源和大功率充電器應(yīng)用

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總結(jié)

雙管反激作為單管反激的拓?fù)溲由欤瑢?duì)工程師具有良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣延續(xù)。同時(shí)該拓?fù)渚哂械碗妷簯?yīng)力、漏感能量回收和高可靠性的優(yōu)勢(shì)，輸出電壓寬范圍可調(diào)，使用我司高性能GaN管實(shí)現(xiàn)接近ZVS 的零電壓開(kāi)通特點(diǎn)，很適合設(shè)計(jì)PD3.0/3.1大功率快充電源、大功率充電器。
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