集成有源鉗位電路的反激式 PWM控制器設計

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

由于高效率、低功耗和減少占地面積等非常嚴格的要求，對節能的需求變得越來越難以滿足。對于廣泛應用于電源應用中的AC/DC 轉換器，需要進一步優化電路。

AC/DC 轉換器的設計通常涉及高壓和變壓器的使用，這對設計人員提出了越來越困難的挑戰。

然而，市場上越來越多的集成控制電路的出現部分促進了這項任務，能夠簡化高效 AC/DC 轉換器的設計，減少外部組件的數量和電路的整體尺寸。

反激式轉換器

圖 1 所示的反激式轉換器是制造電源和充電器最廣泛使用的拓撲之一。該電路需要一個具有高開關頻率的晶體管、一個變壓器（能夠確保輸入和輸出之間的電流隔離）和其他幾個組件。其工作原理是在晶體管Q1導通時將磁能儲存在變壓器鐵芯中，然后在晶體管關斷時將其傳遞給負載。

圖 1：反激式轉換器的拓撲結構

開關頻率越高，轉換器越小。然而，開關頻率受到一些因素的限制，首先是變壓器漏感。每次切換FET Q1時，變壓器寄生電感存儲的能量由鉗位電路耗散，鉗位電路由 R1、C1和 D1 組成。如果開關頻率太高，功率損耗會變得太高，有可能對轉換器造成無法修復的損壞。

為了克服這個問題，使用了稱為有源鉗位解決方案，它涉及使用一個第二晶體管，Q的2，以及電容器。有源鉗位不會試圖耗散電阻器中的泄漏能量，而是將其存儲在鉗位電容器中，然后將其回收到負載。通過應用有源鉗位控制，還可以實現零電壓開關 (ZVS)，這是一種顯著提高轉換器效率的條件。具有有源鉗位的反激式轉換器的示例如圖 2 所示，在這種情況下，鉗位晶體管 Q2是 P 溝道 FET。

圖 2：具有有源鉗位的反激式轉換器

此外，如果使用氮化鎵 (GaN) 晶體管代替普通的硅 FET 晶體管，則達到 ZVS 條件所需的能量將顯著降低，從而允許更高的開關頻率和更小的電路。

有源鉗位需要一個智能控制電路，能夠非?？焖俚貏幼?。有源鉗位電路允許通過回收否則耗散的泄漏能量和減少開關損耗來獲得更高的效率。此外，由于有源鉗位 FET 的軟開關和較小的開關電壓，它允許實現較低的 EMI。

Silanna ACF 轉換器

Silanna Semiconductor 總部位于加利福尼亞州圣地亞哥，專門提供具有一流功率密度和效率性能的設備，幫助客戶實現前所未有的 BoM 節省。Silanna Semiconductor 的 AC/DC 和 DC/DC 電源轉換器 IC 正在利用最新的數字和模擬控制和設備技術推動旅行適配器、筆記本電腦適配器、電器電源、智能計量、計算、照明、工業電源和顯示電源方面的關鍵創新。

SZ1110 和 SZ1130 器件是完全集成的有源鉗位反激 PWM 控制器，集成了自適應數字 PWM 控制器和以下超高壓 (UHV) 組件：有源鉗位 FET、有源鉗位柵極驅動器和啟動穩壓器。這種前所未有的集成水平有助于設計高效、高功率密度的適配器，并且具有較低的 BoM 成本，以滿足耗電的手機、平板電腦、筆記本電腦和視頻游戲機。

這些器件使簡單的反激式控制器易于設計，具有 ACF 設計的所有優點，包括反激式變壓器的漏電感能量的再循環和在關斷事件期間限制初級 FET 漏極電壓尖峰。SZ1110 和 SZ1130采用 Silanna 的 OptiModeTM數字控制架構，逐周期調整器件的工作模式，以保持高效率、低 EMI、快速動態負載調節和其他關鍵電源參數。因此，65W 通用輸入 AC/DC 電源的全硅實施可以實現 > 94% 的效率，并在不同的負載/線路/溫度條件下保持平坦的效率曲線。

此外，開關頻率被限制在一個緊密的頻帶內，以簡化 EMI 濾波。此外，有源鉗位操作的自適應數字控制可實現初級 FET 的接近 ZVS 導通，并在關斷期間鉗位漏極電壓，從而進一步提高效率并降低 EMI。

與傳統的 ACF 設計不同，在大批量生產中，電路的正常運行不需要鉗位電容器和漏電感值的嚴格公差。此外，一個小的 3.3 nF 鉗位電容器足以實現 ACF 操作的好處。SZ1110 和 SZ1130 非常適合高效率和高功率密度的 AC/DC 電源適配器。這些設備專為高達 33 W (SZ1110) 和高達 65 W (SZ1130) 的輸出功率而設計，包括 USB-PD 和快速充電應用。

當今的市場趨勢，尤其是便攜式消費電子產品，需要更大的電池和更快的充電操作，這意味著需要從電源適配器獲得更多功率。電路的整體尺寸是另一個相關的關鍵因素，因為原始設備制造商希望在相同尺寸或??更小的電源適配器中獲得更多功率（更高的功率密度和更高的效率）?，F有的解決方案正在達到極限，新的創新方法正在取代它們。

SZ1110 和 SZ1130 ACF PWM 控制器能夠實現超過 94% 的效率、在通用 (90 – 265 VAC) 輸入電壓和負載范圍內的平坦效率曲線、高達 146 kHz 的開關頻率操作以及集成過熱 (OTP)、過16 引腳 SOIC 封裝中的電壓 (OVP)、過流 (OCP)、過功率 (OPP) 和輸出短路 (OSCP) 保護。如圖3所示，基于全球首款全集成有源鉗位反激控制器Silanna SZ1130的65W USB-PD評估板在20V/3.25A輸出和230 VAC輸入下實現了94.7%的效率，提供65W最大輸出功率在小尺寸 PCB (45mm x 45mm) 中。

圖 3：基于 SZ1130 的評估板

編輯：hfy