标签: 准谐振

USB充电是重要且不断增长的应用，但要同时满足高能效和尺寸要求却是极具挑战的。本方案以新的控制器和驱动器提供创新的功能，能显著减少高能效AC-DC电源的物料单（BOM）含量，尤其是在100W以上的负载范围，包括智能手机、笔记本电脑适配器。 方案简介 本方案采用Type C接口，支持90-264Vac电压输入，I/O隔离3kV，输出电压5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/5A。方案具有自适应欠压保护（UVP）、过压保护（OVP）、短路保护（SCP）、过热保护（OTP）等功能，电源效率高达92.9%，纹波<60mV，待机功耗<50mW(未插电)，PCBA尺寸60mm x 60mm x 19mm。 本方案采用准谐振反激式（QR flyback）拓扑，核心元件包括NCP1623 VSFF PFC控制器，带有瞬变峰值漂移功率的NCP1343多模HF PWM控制器, NCP4307同步整流控制器，以及FCMT199N60/FCMT250N65/FDMS86180/NTTFS4C02 MOSFET。 该设计采用DFN4X4封装的FUSB15101 PD3.0/PPS协议控制器，用双辅助电源支持PWM控制器。在低输出电压时，该PWM控制器由高压辅助电压供电，而在高输出电压时由高压辅助电压供电。 NCP1632集成了一个双MOSFET驱动器，用于交错式PFC应用。交错由并联的两个小级组成，代替了一个难以设计的更大级。NCP1632驱动器为180°移位相位，可大大降低电流波纹。 NCP1343准谐振反激式控制器具有专有的谷值锁定电路，可确保稳定的谷值切换。该系统可以在低至第六谷值下工作，并转换到频率折返模式以减少开关损耗。随着负载降低，NCP1343可以进入安静跳跃模式以管理功率输出，同时最大限度地降低噪声。 NCP4307可在多种高性能开关电源拓扑中与同步整流（SR）MOSFET一起使用。该器件将从内部一个200V CS引脚自供电，实现上桥配置和低VOUT，而不需要一个辅助电源。双VCC引脚选择最佳VCC源端以尽量降低损耗，从而优化宽范围VOUT应用的设计。 芯齐齐BOM分析 本方案刚刚发布，NCP1623ASNT1G、NCP1343、NCP4307、FUSB15101、FCMT250N65S3、FCMT199N60、FDMS86180、NTTFS4C02NTAG芯片和功率器件来自安森美，PFC电感器和变压器按照设计进行定制。 芯齐齐BOM工具显示，本方案从现有BOM中删除多达15个器件，既降低设计成本，同时确保满足USB PD应用的严苛能效和性能标准。PCB布线上，方案FR4材料的PCB基材，pcb铜层厚度2盎司(oz) ，pcb厚度1mm。 NCP1345是一款准谐振（QR）反激式控制器，高频QR工作（高达350kHz）能减小磁性器件的尺寸，封装形式SOIC-9 NB。 NCP1623采用SOIC16封装，是小尺寸的升压功率因数校正（PFC）控制器，应用于USB PD快充适配器和计算机电源。NCP1632集成了一个双MOSFET驱动器，结合了构建耐用紧凑的交错式PFC级所需的所有功能，且外部组件数量极少。 NCP4307是一个高性能驱动器，双VCC引脚选择最佳VCC源端以尽量降低损耗，从而优化宽范围VOUT应用的设计。 NCP1343准谐振反激式控制器采用Quiet-Skip技术的跳过模式，可在轻负载条件下实现最高性能，具有严重故障条件的故障引脚，NTC兼容OTP。 电容器方面，标号C13-14, C48选择680μF/25V固态电解电容器，标号C25选择X2安规电容，容量0.22μF，容差不超过10%，尺寸12.5x15x7x12mm。与C25 X2安规电容对应的C10为Y1高压安规陶瓷电容器，容量470pF, 容差不超过10%。

作者：飞兆半导体 Alfred Hesener 对于工作在低功率的开关电源， 反激式拓扑 通常提供了最佳的效率，但在开关管上可能存在高电压应力风险。 使用准谐振开关方法可以帮助避免这种情况，还可以改善EMI性能。 支持谷底导通的 PWM 转换器，提供了一个最佳的解决方案，并可以作为各种不同功率范围电源的基础。 图 1 给出了一个通用的准谐振反激式转换器的原理图。   图 1. 通用的准谐振反激式转换器 原理图左侧显示了与整流桥的输入连接。 通过二极管和电阻给控制 IC供电 用于启动转换器。 在工作过程中，控制 IC 通过辅助绕组（显示在原理图中间和变压器的一部分）给自己供电。 辅助绕组包括一个电阻分压器，使控制器能测量绕组的电压波形，并确定何时打开开关管。 一个外部 MOSFET 被用作主电源开关，与一个电流取样电阻串联以测量一次侧电流。 二次侧电路包括整流回路和具有电压基准及光耦的稳压回路，。 使用如图 1 所示的通用原理图作为参考方案，我们用高度集成的 的飞兆 FAN6300A/H PWM 控制器 开发了一个电源。 我们选择 FAN6300A，因为它具有在准谐振拓扑中提高电源性能的多种功能，例如：支持谷底导通等。 如图 2 所示，在下个周期中芯片选择其中一个谷底电压打开开关管。 图 2. 谷底导通操作 黄线是主开关管的漏源电压，蓝线是流过主开关管的电流。 大约能看见两个开关周期的波形。 控制器工作在不连续模式下，如图所示，能量转移后电压波形有低频振荡。 选择其中一个电压最低点打开主开关管 – 在这种情况下，是排在第四个的最小电压。 这可确保低电压导通，并最大限度减少了开关损耗。 该控制器具有最小关断时间，以确保轻载时开关频率不高。 在轻载时，关断时间被调制的更长，有效降低开关频率以及任何相关的损耗。 图 3 显示了配备了FAN6300A的 30W 电源 ，能够处理高达 1000V 直流电压输入，并在整个负载范围内具有很高的工作效率。 图 3. 使用 FAN6300A PWM 控制器的 30W 电源 为了处理输入端高直流电压，几个电容被串联起来。 一个 TVS 二极管被用来执行电压缓冲功能并降低功耗。 一个低电压 MOSFET、一个双极晶体管组成的级联，实现了主开关功能。一个光耦合器被用于建立反馈回路。 级联有几个优势。 因为双极晶体管开关时，米勒电容不起作用，开关速度会非常快。 输出电容很低，设计鲁棒性很强。 此外，双极晶体管和MOSFET的级联比较容易实现高耐压，并且对于控制器来说MOSFET易于被驱动。 图 4 显示了图 3 所示电路的效率。 图 4. 30W 电源的效率测试结果 在每个输入电压水平，在整个输出功率范围内效率都非常高。 在大多数情况下，效率在 80％ 以上、功率更高时，效率超过 85％。 当开关级联电路工作在准谐振开关系统时，效率基本上与输入电压无关，这表现出开关级联电路很低的开关损耗。 虽然未在图 4 中显示，但在低至 80V 的交流电源、高至 1200V 的直流电源环境下，该30W 电源可以轻松应对，并表现了出色的稳定性。 结论 用一个包括各种保护功能的新型 PWM 控制器来实现的准谐振操作，具有良好的性能和优异的鲁棒性，输入电压范围很宽，效率极高，满足了许多工业应用的要求。 这里描述的 30W 电源设计方案是一个完全经得起考验的参考设计，并有特性报告和测试数据。 还有基于类似控制机制、旨在用于 8W 和 80W 系统的其它设计。 有关详细信息，请联系 飞兆半导体公司 。