使用易于使用的開關(guān)模式電源 (SMPS) 矩陣簡化電源設(shè)計(jì)

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

電子產(chǎn)品或設(shè)備的設(shè)計(jì)人員不可避免地需要合適的電源。功率器件的功率范圍從幾十瓦到幾千瓦 (kW) 不等，要找到合適的元器件可能頗具挑戰(zhàn)性。由于存在成千上萬的元器件選項(xiàng)，選擇并匹配合適的整流器、電源控制器、開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)拖慢設(shè)計(jì)進(jìn)度，并因此增加成本和影響工期。

要簡化這一過程，可以從可信賴的供應(yīng)商的智能功率器件系列入手，并利用他們的在線工具做出最佳選擇。例如，按應(yīng)用、拓?fù)?、器件和關(guān)鍵特性分類的開關(guān)模式電源 (SMPS) 元器件矩陣就可加快選擇和設(shè)計(jì)過程。

本文將簡要討論 SMPS 設(shè)計(jì)。然后介紹 [onsemi] 的 SMPS 元器件矩陣，該矩陣將橋式整流器、控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)連接起來，使之與每種應(yīng)用的功率水平兼容。還會(huì)解釋關(guān)鍵產(chǎn)品的定義，并提供如何使用矩陣來簡化元器件選擇的示例。

SMPS 設(shè)計(jì)

考慮一個(gè)用于 USB 供電 (PD) 應(yīng)用、功率水平為 100 W 的基本交流線路供電 SMPS 的關(guān)鍵組成部分（圖 1）。電源的線路或初級側(cè)通常需要整流器、功率因數(shù)校正 (PFC) 控制器、功率控制器、光耦合器、柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)。次級側(cè)通常需要同步整流器控制器 (SRC)、同步整流器 (SR) 開關(guān)、USB PD 控制器和光耦合器。

圖 1：所示為典型 100 W SMPS 的主要元器件。（圖片來源：onsemi，由作者修改）

該設(shè)計(jì)的元器件與功率水平相匹配。設(shè)計(jì)人員必須選擇用于 PFC 和功率控制的初級側(cè)拓?fù)?，以及次級?cè)整流器和穩(wěn)壓器拓?fù)?。做好這些決定后，他們就可以選擇各個(gè)元器件。

這時(shí)就可以使用 onsemi [SMPS 矩陣]來幫助選擇電源元器件（圖 2）。

圖 2：所示為交互式 SMPS 矩陣，該矩陣可幫助設(shè)計(jì)人員根據(jù)電源的功率等級和首選拓?fù)溥x擇有源元器件。（圖片來源：onsemi）

SMPS 矩陣根據(jù)左側(cè)前兩列中的功率水平和密度做出設(shè)計(jì)選擇。最高功率水平位于頂部，向下逐行遞減。功率水平為 5 W 至 3 kW 以上。功率密度是單位體積功率的量度，超高功率密度使得電源供應(yīng)比高密度封裝更小。除了這兩種封裝選擇外，還有一種扁平封裝。該矩陣根據(jù)功率水平設(shè)置電源電壓。

矩陣中的每個(gè)功率水平條目都有一至三行與功率密度選擇相對應(yīng)的推薦元器件，為初級側(cè)和次級側(cè)拓?fù)涮峁┚x元器件。標(biāo)記為不適用的條目表示該條目不適用于特定的功率水平和密度。

整流器一欄列出了適用于匹配功率水平的橋式整流器元器件建議。在某些情況下，該條目是無橋式。由于圖騰柱 PFC 等其他元器件取代了整流橋的功能，因此不需要整流橋。PFC 字段中的“快速路徑”和“慢速路徑”條目可快速識(shí)別圖騰柱 PFC。這些 PFC 的慢速路徑開關(guān)以線路頻率工作，而快速路徑開關(guān)則以更高的典型開關(guān)頻率工作。

該矩陣會(huì)根據(jù)所需的功率水平建議主要拓?fù)洹Ｔ摼仃囃扑]使用以下四種常見拓?fù)渲腥魏我环N的控制器設(shè)備：反激式（切換器）、有源箝位反激式 (ACF)、準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式或電感-電感-電容 (LLC)。

反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離式電源拓?fù)?，初級?cè)和次級側(cè)之間沒有直接的電氣連接。當(dāng)電源開關(guān)器件關(guān)閉時(shí)，耦合電感器會(huì)將能量從初級傳輸?shù)酱渭墶＾D(zhuǎn)換器電壓控制采用固定頻率的脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)。

ACF 設(shè)計(jì)采用耦合電感器的反激概念，將能量從初級傳輸?shù)酱渭墶４送?，該設(shè)計(jì)還使用有源器件將耦合電感器的漏感放電或鉗位到電容器上，以最大限度地減輕對 MOSFET 電源開關(guān)的壓力。

QR 反激式拓?fù)淅秒娐返募纳姼泻碗娙莴@得接近諧振的響應(yīng)，并以最小的漏極電壓打開電源開關(guān)。這種“軟開關(guān)”可降低轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗。由此產(chǎn)生的開關(guān)頻率并不固定，而是隨負(fù)載而變化。

LLC 轉(zhuǎn)換器采用全諧振響應(yīng)，能夠確保真正的零漏極電壓開關(guān)。即使在空載條件下，該轉(zhuǎn)換器也能降低開關(guān)損耗，非常適合較高的功率水平。

推薦的控制器根據(jù)特定的功率范圍進(jìn)行分類：最低功率水平使用切換器，中功率水平使用 QR 和 ACF，高功率水平使用 LLC 轉(zhuǎn)換器。

該矩陣包括詳細(xì)的 SMPS 框圖，說明了十一種特定設(shè)計(jì)的元器件之間的連接，涵蓋可在標(biāo)記的選項(xiàng)卡中找到的五種不同功率水平和密度（圖 3）。

圖 3：該矩陣包括十一種特定設(shè)計(jì)的詳細(xì) SMPS 框圖，涵蓋可在標(biāo)記的選項(xiàng)卡中找到的五種不同功率水平和密度。（圖片來源：onsemi）

一旦選擇了功率水平和密度，就可以從矩陣的相應(yīng)功率水平行和拓?fù)涮囟兄羞x擇元器件。點(diǎn)擊超鏈接元器件編號(hào)可打開矩陣的擴(kuò)展視圖，其中高亮顯示的編號(hào)鏈接到 DigiKey 零件編號(hào)（圖 4）。

圖 4：點(diǎn)擊原始矩陣中的任意超鏈接零件編號(hào)都會(huì)打開擴(kuò)展二級矩陣（包含指向 DigiKey 零件條目的鏈接）。（圖片來源：onsemi）

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使用矩陣

用于 USB PD 的 100 W SMPS 就是一個(gè)很好的中功率水平說明示例，該單元類似于之前在圖 1 框圖中所示的單元。查看該矩陣可知，70 W 至 200 W 功率水平行涵蓋了所需的 100 W 電源。在“功率密度等級”列中選擇“高”后，會(huì)彈出包含指向必要元器件的鏈接的擴(kuò)展矩陣（圖 5）。

圖 5：綠色方框概述了擴(kuò)展矩陣上適用于 100 W 高密度 SMPS 的元器件選擇。藍(lán)色零件編號(hào)鏈接到相關(guān)的 DigiKey 產(chǎn)品篩選器頁面。（圖片來源：onsemi）

國際法規(guī)（尤其是歐盟的法規(guī)）要求在功率水平達(dá)到或超過 75 W 時(shí)使用 PFC。這里推薦的 PFC 控制器是 onsemi [NCP1623]。NCP1623 是一款小尺寸升壓 PFC 控制器，最高可支持 300 W 功率，適用于快速充電電源適配器和模塊化計(jì)算機(jī)電源，在這些產(chǎn)品中，成本效益、可靠性、高功率因數(shù)和效率是基本要求。該控制器需要一個(gè)外部橋式整流器，建議使用 onsemi [GBU6M]或 [GBU6K]。兼容的 PFC 電源開關(guān)是 onsemi NTP125N60S5H，該開關(guān)是一種快速 MOSFET，其額定最大漏源電壓 (V DSS ) 為 600 V，額定最大漏極電流 (I D ) 為 22 A，額定漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 為 125 mΩ。

推薦使用的初級側(cè)控制器是 onsemi [NCP1343]高頻 QR 反激式控制器。該控制器集成了現(xiàn)代 SMPS 設(shè)計(jì)所需的所有必要元器件，是 AC/DC 適配器和開放框架電源的理想選擇。該控制器與額定值為 650 V DSS 、12 A I D 、260 mΩ RDS(ON) 的 [NVD260N65S3]電源開關(guān)相匹配。

onsemi [NPC4307] 是電源次級側(cè)的同步整流驅(qū)動(dòng)器。該控制器與額定值為 80 V DSS 、61 A ID 、10 mΩ R DS(ON ) 的 onsemi [NTMFSC010N08M7]MOSFET 開關(guān)結(jié)合使用時(shí)，可確保高效同步整流。

設(shè)計(jì)的最后一個(gè)重要階段是選擇 USB PD 控制器，該控制器能夠管理 AC/DC 適配器或 DC/DC 端口電源穩(wěn)壓器次級側(cè)的光耦合器。該矩陣建議電源輸出端的 onsemi [FUSB15101] PD3.0 協(xié)議控制器（支持 USB 可編程電源 (PPS)）采用額定值為 30 VDSS 和 164 A ID 的 onsemi [NTTFS4C02NTAG]N 溝道 MOSFET。其 RDS(ON) 在 10 V 時(shí)為 2.25 mΩ，在 4.5 V 時(shí)為 3.1 mΩ。

由此得到的電源可作為 onsemi [NCP1343PD100WGEVB]評估板（圖 6）提供，其輸出電壓范圍為 3.1 V 至 21 V。在輸入 115 V 或 230 VAC 電壓時(shí)，其平均效率為 92%。其封裝尺寸為 60 x 60 x 19 mm，功率密度為 24 W/in. ^3^ 。

圖 6：所示為 100 W USB PD 基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)的俯視圖（左）和仰視圖（右），該設(shè)計(jì)基于使用 SMPS 矩陣選擇的元器件。（圖片來源：onsemi）

結(jié)語

onsemi SMPS 矩陣為電源元器件選擇提供了一個(gè)易于使用的途徑，能夠確保選擇的兼容關(guān)鍵元器件與設(shè)計(jì)的功率水平相匹配。不僅可縮短尋找零件所需的時(shí)間，而且提供規(guī)格書和報(bào)價(jià)的即時(shí)鏈接。

審核編輯 黃宇