新型數(shù)字反激控制芯片輕松實(shí)現(xiàn)高效高功率密度USB PD快充設(shè)計(jì)

作者 / 英飛凌公司

　　摘要：主要介紹USB PD應(yīng)用中的ZVS反激控制器 ，例如手機(jī)電腦快充等。主要對(duì)控制器的特征、保護(hù)、工作和控制原理進(jìn)行說(shuō)明和討論。適合充電器適配器設(shè)計(jì)人員以及對(duì)數(shù)字型ZVS反激控制器感興趣的電源工程師閱讀。

　　關(guān)鍵詞：反激;控制;USB PD;快充;零電壓開關(guān)

　　0 引言

　　消費(fèi)者體會(huì)到快充給手機(jī)電腦的應(yīng)用帶來(lái)了很多的便利，但玲瑯滿目的快充協(xié)議也給用戶帶來(lái)一定的困惑，例如市場(chǎng)上有MTK 的 PE+ 、高通的 QC 4+、 OPPO 的 VOOC、華為的 FCP/SCP，等等，它們往往需要專門的充電器。USB-PD 這個(gè)時(shí)候得到大范圍設(shè)備支持，得益于它兼容了其他的快充標(biāo)準(zhǔn)，使得在為數(shù)碼電子設(shè)備充電時(shí)不需要必須使用廠家專用充電器材才能為設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速充電，給大家?guī)?lái)更多的便捷。

　　大家習(xí)慣了小型輕便的充電器，如何在不增加充電器體積的情況下提升更大的功率輸出，并且支持短時(shí)間的峰值輸出?這意味著需要更高的頻率設(shè)計(jì)，從而縮小磁性元件和其它被動(dòng)器件的尺寸，以及采用支持高效率設(shè)計(jì)的功率器件。在高頻的操作過(guò)程中，零電壓開關(guān)由于可以減小主動(dòng)開關(guān)器件的開通損耗而備受歡迎。各種不同的零電壓開關(guān)拓?fù)湟约跋鄳?yīng)的控制器都在開發(fā)研究當(dāng)中。取決于輸出電流大小，CCM/DCM通常被選用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于USB PD應(yīng)用，由于輸出可變使得定頻控制模式下CCM 不可避免。因?yàn)槎l控制可以使EMI和系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易。

　　英飛凌XDPS21061數(shù)字電源方案可以為工程師解決這方便的困擾，數(shù)字化電源方案可以提升效率，減少開發(fā)周期和系統(tǒng)成本，并且可以加強(qiáng)產(chǎn)品的靈活性，實(shí)現(xiàn)更多的差異化。XDPS21061是一款多模式數(shù)字式控制器，它同時(shí)適用于DCM和CCM 兩種工作模式，內(nèi)部嵌入高壓?jiǎn)?dòng)單元。該啟動(dòng)單元使得該IC的供電電壓在零負(fù)載時(shí)更加高效和靈活。控制器中的微DSP就像芯片的大腦，它使該控制器比傳統(tǒng)的硬件混合信號(hào)更加聰明和智能化。XPDS21061的數(shù)字和模擬外圍設(shè)備支持各種信號(hào)采樣和調(diào)控，使其成為反激操作的理想選擇。同時(shí)它集合了不同的工作模式，如連續(xù)模式(CCM)、零電壓開關(guān)(ZVS)模式、降頻模式和突發(fā)模式，使得它在不同負(fù)載和輸入電壓下獲得最佳的效率。此外，還集成了一次性可編程(OTP)內(nèi)存，可以提供寬泛的可編寫參數(shù)，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。數(shù)字可配置的引腳簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的BOM/PCB布局，不像混合信號(hào)IC那樣需要大量的外置電阻/電容網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)。

　　在本文的最后還介紹了如何更好地利用高效率功率器件(如CoolMOS?和OptiMOS?)以及封裝，讓設(shè)計(jì)更加具有競(jìng)爭(zhēng)性。

　　1 準(zhǔn)諧振反激拓?fù)涿媾R的困難

　　公式1是準(zhǔn)諧振反激電路在第一個(gè)谷底的開關(guān)損耗。Cpara包括MOSFET輸出電容和變壓器耦合電容。因此在低壓輸入下，反激準(zhǔn)諧振幾乎是零電壓開關(guān)，但是在高壓輸入條件下，仍然有非常高的開關(guān)損耗。

　　(公式1)

　　另一個(gè)與拓?fù)湎嚓P(guān)的損耗是主MOSFET的吸收網(wǎng)絡(luò)，而且很難算出損耗的準(zhǔn)確數(shù)值。

　　在主MOSFET關(guān)閉后，在能量注入到吸收網(wǎng)絡(luò)之前，原邊峰值電流首先給主MOSFET的寄生電容進(jìn)行充電。因此電容越大，寄生電容中儲(chǔ)存的能量就越多，吸收網(wǎng)絡(luò)的損耗就越少。對(duì)于硬開關(guān)拓?fù)洌纳娙葜械膿p耗完全喪失掉的。但是對(duì)于準(zhǔn)諧振反激，這些能量的部分可以被回收。對(duì)于完全的ZVS，即使是高壓輸入，大部分能量也是可以被回收利用的。

　　注入吸收網(wǎng)絡(luò)的能量為(0.5*Llk*ipk²-0.5*Cpara*Vsw²)。然而，這并不是全部損失掉，這取決于使用的吸收二極管。使用慢反向恢復(fù)二極管可以將部分能量回收至電容或輸出，如圖1所示。吸收網(wǎng)絡(luò)僅在V_sw-V_clamp-V_bus>0時(shí)工作。這意味著吸收電路的損耗會(huì)在高壓輸入時(shí)較高而低壓輸入時(shí)較低。較大的Coss能吸收更多的能量，利用ZVS控制器，意味著更多的吸收能量能夠被回收。此外，采用低阻抗的MOSFET可以用來(lái)減少導(dǎo)通損耗，同時(shí)對(duì)吸收部分的耗損也有幫助。

　　另一個(gè)問(wèn)題是，QR flyback在重載條件下工作頻率最低，由于變壓器的利用問(wèn)題這對(duì)峰值功率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不利的。

　　QR控制頻率變化的問(wèn)題很容易導(dǎo)致觸摸屏的共模式噪聲干擾。

　　為了簡(jiǎn)化變壓器的生產(chǎn)，提出了基于PCB(印制板)的繞組設(shè)計(jì)。為了減少銅損，頻率要求高于100 kHz。此外由于PCB 繞組耦合電容變大，開關(guān)損耗也會(huì)隨之增加。因此一個(gè)定頻的ZVS 反激控制器必不可少。

　　2 強(qiáng)制頻率諧振零電壓開關(guān)(FFRZVS)工作原理描述

　　圖2顯示了ZVS反激電路典型的PWM 時(shí)序和相關(guān)的關(guān)鍵波形。在主MOSFET關(guān)閉之后的時(shí)間t4，同步整流(SR)MOSFET將會(huì)在一段消隱時(shí)間延時(shí)之后導(dǎo)通。在時(shí)間t5，當(dāng)消磁電流趨于零時(shí)，SR MOSFET關(guān)閉，然后激磁電感Lp和Ceqv將會(huì)諧振。主MOSFET的電壓將從Vbulk+Vrefl諧振到Vbulk-Vrefl，Vrefl=Nps*Vo。如果輔助MOSFET在t1開通，那么主MOSFET諧振在峰值就意味著激磁電流為零，那么imag就會(huì)負(fù)向增加。在此受控的ZVS開通時(shí)間段，主MOSFET的Vds被鉗位在電壓Vbulk+Vrefl上。一旦峰值電流達(dá)到i_zvs_pk，就會(huì)關(guān)閉輔助 MOSFET，由于電流存儲(chǔ)在磁化電感中并且反相，它將繼續(xù)向這個(gè)方向流動(dòng)，并釋放儲(chǔ)存在Ceqv中的能量。這個(gè)死區(qū)時(shí)間是由IC的 t_ZVSdead參數(shù)控制的并且是可配置的。在t3時(shí)刻，主MOSFET的漏極電壓達(dá)到最小值，打開主MOSFET，此時(shí)達(dá)到最低開通損耗。從圖中可以看出，ZVS所需能量與Vbulk成正比，ZVS MOS的開通時(shí)間也是如此。

　　MFIO電壓是在主MOSFET開通經(jīng)過(guò)一段前沿消隱(LEB)時(shí)間后進(jìn)行采樣的?；谶@個(gè)電壓，IC會(huì)知道下一個(gè)周期的開關(guān)頻率，例如開關(guān)時(shí)間T_sw。由于ZVS 開通時(shí)間和ZVS的死區(qū)時(shí)間也是已知的，T_sw-T_zvson-T_zvsdead 決定了ZVS MOSFET開通時(shí)間點(diǎn)。

　　磁化電感用于實(shí)現(xiàn)ZVS，所以ZVS只在DCM中有效。用于實(shí)現(xiàn)ZVS控制脈沖GD1，只需要其中部分能量的實(shí)現(xiàn)ZVS功能，剩余部分將回饋系統(tǒng)。

　　3 適配器中功率MOSFET 的選型

　　針對(duì)手機(jī)快充中原邊MOSFET的選擇. 我們主要從散熱、效率、成本、裝配……等幾個(gè)方面考慮。目前大多數(shù)用于手機(jī)充電器的功率MOSFET 沒(méi)有加額外的散熱器。這其中考慮到布局的便利，以及成本的問(wèn)題。因此選擇MOSFET的封裝時(shí)，需要考慮到最大負(fù)載情況下溫度是否滿足要求，一般我們可以測(cè)量器件的表面溫度，然后通過(guò)公式Tj=Tc+P*Rthjc (Tc 為器件殼溫，P 為器件的耗散功率，Rthjc為該封裝熱阻) 來(lái)計(jì)算結(jié)溫是否滿足設(shè)計(jì)要求。

　　由于成本和空間的要求，其中對(duì)器件本身需要具有一定的功率耗散能力，同時(shí)也需要滿足小尺寸的要求以提升整機(jī)的功率密度。通常這兩者之間是相互背離的。所以我們會(huì)折中考慮。TO247 和D2PAK 此類封裝雖然散熱性能良好，但是由于封裝本身尺寸偏大，并不太適用小型化設(shè)計(jì)。而一些更小的封裝由于本身散熱能力問(wèn)題需要增加額外的散熱器，從而增加散熱成本。因此，我們通?？紤]ThinPAK 封裝，如圖3所示，該封裝兼顧散熱和小尺寸的需求，寄生參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比TO 封裝小得多，有利于減少尖峰電壓。另外它的特點(diǎn)是功率地和驅(qū)動(dòng)信號(hào)地隔開，這樣大大減少由于MOSFET 源極寄生電感帶來(lái)的干擾。對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性和EMC 設(shè)計(jì)有較大幫助。

　　另外TO220 FP 窄腳封裝可以支撐直立生產(chǎn)，降低PCB表面連錫風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)滿足安規(guī)絕緣封裝、易于安規(guī)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)也被廣泛地應(yīng)用于各種充電器設(shè)計(jì)當(dāng)中。我們?cè)?5 W 單輸出設(shè)計(jì)中選用了英飛凌ThinPAK IPL60R125C7，40 W 設(shè)計(jì)中采用了TO220 FP IPAN70R600P7S。

　　副邊同步整流MOSFET，較為常見(jiàn)的是SSO8(PQFN 5x6)的封裝。根據(jù)不同變壓器設(shè)計(jì)和輸出電壓，可以選擇不同電壓等級(jí)的MOSFET。但對(duì)于手機(jī)快充來(lái)說(shuō)，通常同步整流控制器由輸出直接供電，由于兼容低壓輸出如5 V 或3.3 V。因此對(duì)應(yīng)MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓也是5 V、3.3 V。在此驅(qū)動(dòng)電壓下普通驅(qū)動(dòng)的MOSFET 并不能工作在飽和區(qū)域，因?yàn)槠胀?qū)動(dòng)等級(jí)的MOSFET 的飽和驅(qū)動(dòng)電壓在7.5 V左右。因此我們對(duì)于此類應(yīng)用應(yīng)選擇邏輯電平 MOSFET。我們?cè)?0 W設(shè)計(jì)中采用邏輯電平驅(qū)動(dòng)MOSFET BSC0802LS可以在4.5 V 邏輯電平下飽和導(dǎo)通，可以有效降低同步整流MOSFET 的導(dǎo)通損耗。同時(shí)低驅(qū)動(dòng)電壓可以進(jìn)一步降低MOSFET 的驅(qū)動(dòng)損耗，提升效率。

　　4 簡(jiǎn)化應(yīng)用圖

　　圖4顯示了一款40 W快速充電器設(shè)計(jì)中采用XDPS21061的簡(jiǎn)化應(yīng)用圖。與傳統(tǒng)的反激和有源嵌位(ACF)相比，它在原邊有一個(gè)額外的ZVS繞組，以及一個(gè)電容、開關(guān)器件和一個(gè)低端的門極驅(qū)動(dòng)。無(wú)需高端驅(qū)動(dòng)和高電壓MOSFET并實(shí)現(xiàn)零電壓開通，因此系統(tǒng)成本很低。

　　5 輕載工作的設(shè)定

　　突發(fā)模式對(duì)于初級(jí)AC/DC控制IC滿足空載要求是很重要的。通常，當(dāng)反饋低于某個(gè)值時(shí)，控制IC會(huì)進(jìn)入突發(fā)模式。為了減少輸出電壓紋波，突發(fā)模式的遲滯需要盡可能小。這對(duì)變輸出電壓設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。然而，由于是數(shù)字控制，XDPS21061基于查表方式進(jìn)入突發(fā)模式，它根據(jù)不同的輸出電壓從而選擇不同的突發(fā)模式進(jìn)入條件。

　　6 65 W 單輸出適配器設(shè)計(jì)實(shí)例

　　我們利用FFRZVS控制器設(shè)計(jì)了一款65 W全電壓輸入的適配器。輸入90~264 Vac，輸出20 V/3.25 A，開關(guān)頻率Fsw =120 kHz，變壓器磁芯采用RM8，匝比Np:Ns=5，Lp=12 μH，輸入電容120 μF，原邊MOSFET 采用IPL60R125C7，ZVS MOSFET 采用BSL606SN，同步整流SR MOSFET 采用BSC093N15NS5G，SR控制器采用UCC24630。由于散熱限制，功率密度可達(dá) 15 W/inch3，其中輸入部分包含一個(gè)共模電感和一個(gè)差模電感。

　　7 基于dpVision? 的可配置人機(jī)操作界面

　　通過(guò)一個(gè)UART 引腳可以配置各種參數(shù)，系統(tǒng)BOM(物料清單)是相當(dāng)簡(jiǎn)化的。由于許多應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)都是可調(diào)整的，所以控制器可以根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而量身定制。例如，可配置頻率法則可用于調(diào)整最大頻率，以適應(yīng)不同的磁芯形狀，并調(diào)整半載效率，以平衡導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。也可對(duì)突發(fā)模式參數(shù)進(jìn)行配置以用于調(diào)整突發(fā)模式進(jìn)出功率。

　　8 總結(jié)

　　XDPS21061是一個(gè)基于微DSP的多模式數(shù)字控制器，能夠工作在不同的電流模式，內(nèi)部嵌入高壓?jiǎn)?dòng)單元，可調(diào)驅(qū)動(dòng)電流，兼顧數(shù)字和模擬芯片優(yōu)點(diǎn)。人性化人機(jī)操作界面，輕松配置系統(tǒng)參數(shù)?？梢允闺娫垂こ處煂?shí)現(xiàn)高自由度的差異化化設(shè)計(jì)。基于XDPS21061的快充65 W/40 W設(shè)計(jì)，采用強(qiáng)制頻率諧振，在應(yīng)對(duì)USB PD 可變輸出電壓下自適應(yīng)限流，同時(shí)整合英飛凌CoolMOS?，OptiMOS? 等高效功率器件在實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)時(shí)游刃有余?？蛇x的抖頻功能進(jìn)一步優(yōu)化EMI 效果從而取得更高的性價(jià)比。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第23頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處