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        英飛凌高效率100W USB-PD方案XDPS2201

        2021-03-16      分類:行業新聞

        圍繞裝備有主流快充協議USB-PD充電器設計,我們正在進行技術文章的四期連載。系列文章從提高效率、加速產品開發、優化性能、降低整體成本等方面,為大家詳細解讀。

        作為本系列的最終章,我們將為大家介紹效率高達94%的100WUSB-PD解決方案。


        更大的電池容量和更短的充電時間需求,不斷提高對于充電器功率的要求。在小尺寸中實現大功率頗具挑戰性,人們為此提出了各種各樣的創新方案,包括零電壓開關(ZVS)拓撲結構、高性能開關、創新的封裝方式以及使用寬禁帶材料等,以滿足相應設計要求。

        本文介紹了一種100W的USB-PD解決方案,并解釋了它如何利用電源開關和新型拓撲結構來實現94%的效率和23W/in3的功率密度。

        確保高性能的關鍵:選擇合適的拓撲結構

        為了達到更高的功率密度,需要選擇合適的拓撲結構、規格尺寸和先進的控制技術??v觀當前的大功率移動充電器市場,存在著多種針對大功率USB-PD充電器的解決方案,包括PFC+QR和PFC+LLC。然而,這些解決方案也存在一定局限性,限制了其得到廣泛應用,例如:QR無法實現軟開關,LLC拓撲結構難以用于可變輸出電壓設計。

        針對上述情況,英飛凌推出了一種新的非對稱半橋混合型反激拓撲結構(如圖1)。半橋與串聯電容器共同驅動傳統的反激變壓器。反激變壓器的主電感和串聯電容器形成諧振回路,用于實現半橋開關的ZVS特性,并在反激變壓器的常規退磁階段提供諧振功率傳輸。在正常運行期間,充電周期和相關功率通過峰值直流電流控制,而退磁階段通過定時控制,以確保適當的負預磁化,從而滿足半橋開關所需的ZVS條件。

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        圖1:非對稱半橋反激拓樸的簡化示意圖

        初級側的電源電路通過LC諧振回路實現,該回路由類似于LLC轉換器的半橋驅動。諧振電感器Lr為串聯電感,它既可以是變壓器漏感,也可以是變壓器漏感加外部電感,而Lm則代表變壓器主電感。通過將諧振電容器Cr和變壓器的初級線圈連接于正節點和半橋中點之間,也可以實現相同的轉換效果。當高側開關HS導通時,能量將存儲于Cr和Lm中,并且各自存儲的能量將隨輸入電壓和開關頻率而變化(如圖2所示)。

        圖2:儲能分布和頻率變化示意圖

        當高側開關HS斷開時,變壓器中的電流將迫使半橋中點VHB下降,直至低側開關的體二極管鉗位電壓為止。然后,低側開關將在零電壓時導通,與此同時,變壓器相位反轉,能量轉移至次級側。當低側開關斷開時,上一階段變壓器中感應的負電流將迫使半橋中點VHB升高其電壓,直至高側開關HS的體二極管鉗位電壓為止,類似于上一個階段。在ZVS條件下,HS打開,而LS關閉,但變壓器諧振回路中的電流仍為負,這意味著諧振回路中的多余能量將被送回輸入端。

        為什么首選混合反激拓撲結構?

        與其他反激拓撲結構相比,混合反激變壓器需要存儲的能量比較少,因此有助于減小充電器的尺寸。

        混合反激可以在初級側實現完全的ZVS,而在次級側實現完全的ZCS,并且泄漏能量也可以回收,從而提高效率。

        如以下公式,輸出電壓將隨占空比變化。對于混合反激式來說,實現寬電壓范圍的輸出要容易得多,由此克服了LLC拓撲結構在寬電壓輸出應用中的局限性。

        英飛凌的100WUSB-PD參考設計

        完整的解決方案如圖3所示。PFC級采用臨界導通模式IRS2505和ThinPAK封裝IPL60R185C7CoolMOS?,而DC-DC級則采用數字PWM控制器XDPS2201和IPLK60R360PFD7。同時,BSC028N06NS用作同步整流開關(將來可以換成專門針對充電器同步整流用的低壓ISZ0702NLS以進一步提升性價比),協議控制器為CYPD3174,而p-channelMOSBSZ086N03NS3用作輸出安全開關。

        圖3:100WUSB-PD解決方案框圖

        通過這種設置,效率峰值可以達到94%,并且待機功耗低于60mW。

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        圖4:效率和待機功耗曲線

        最高效率:選擇適當的高壓MOSFET至關重要

        軟開關技術使器件能夠在ZVS下運行,即MOSFET僅在其漏源電壓達到0V(或接近于0V)后才導通。這種策略可以消除器件的導通損耗,而導通損耗通常是造成總開關損耗的主要因素。遺憾的是,由于輸出電容的“非無損”特性,所有高壓SJMOSFET都會遭受另外一種損耗,即在MOSFET輸出電容(Coss)先充電后放電時,都會有部分能量損失。因此,即使在ZVS條件下運行,也無法回收存儲于輸出電容中的全部能量(Eoss)。這種現象與Coss的滯回特性有關,在執行Coss充電/放電周期時可以借助較大的信號測量觀察到這種現象。正因如此,此類損耗通常被稱為Coss滯回損耗(Eoss,hys)。

        圖5:SJMOSFET的Qoss充電/放電周期

        得益于英飛凌先進的SJ技術,CoolMOS?PFD7系列進一步降低了滯回損耗,從而有助于進一步提高效率。

        結論

        基于數字XDPS2201的ZVS混合反激式,可以在不同的輸入電壓和輸出電流條件下實現ZVS和ZCS。此外,它還可以回收變壓器漏感的能量。高性能的功率MOSFET有助于在60mmx40mmx18mm尺寸的100WUSB-PD設計實現高達94%的效率。

        圖6:外形小巧、效率高達94%的英飛凌100WUSB-PD參考設計



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