USB PD充電器設(shè)計(jì)系列連載：高效率100W USB-PD方案

圍繞配備主流快速充電協(xié)議的USB-PD充電器的設(shè)計(jì)，我們正在連載四篇技術(shù)文章。從提高效率、加快產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)化性能、降低整體成本等方面對系列文章進(jìn)行了詳細(xì)解讀。
作為本系列的最后一章，我們將介紹效率為94%的100WUSB-PD解決方案。
隨著對更大電池容量和更短充電時(shí)間的需求，對充電器功率的需求不斷增加。實(shí)現(xiàn)小尺寸高功率具有挑戰(zhàn)性，因此人們提出了各種創(chuàng)新方案，包括ZVS拓?fù)?、高性能開關(guān)、創(chuàng)新封裝方法和寬帶隙材料，以滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。
本文介紹了一種100瓦USB-PD解決方案，并說明了如何通過使用電源開關(guān)和新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)94%的效率和23W/in3的功率密度。
為了獲得更高的功率密度，需要選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、規(guī)格和先進(jìn)的控制技術(shù)。縱觀目前大功率移動(dòng)充電器市場，大功率USB-PD充電器的解決方案有很多，包括PFC  QR和PFC  LLC。然而，這些解決方案也有一些限制，這限制了它們的廣泛應(yīng)用。比如QR不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，LLC拓?fù)浜茈y用于可變輸出電壓設(shè)計(jì)。
鑒于上述情況，英飛凌引入了一種新的不對稱半橋混合反激式拓?fù)淙鐖D1)。半橋和串聯(lián)電容共同驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)反激式變壓器。反激式變壓器的主電感和串聯(lián)電容構(gòu)成諧振電路，用于實(shí)現(xiàn)半橋開關(guān)的ZVS特性，并在反激式變壓器的常規(guī)退磁階段提供諧振功率傳輸。在正常工作期間，充電周期和相關(guān)功率由峰值DC電流控制，而退磁階段由時(shí)序控制，以確保適當(dāng)?shù)呢?fù)預(yù)磁化，從而滿足半橋開關(guān)所需的ZVS條件。
原邊電源電路由LC諧振電路實(shí)現(xiàn)，由類似LLC變換器的半橋驅(qū)動(dòng)。諧振電感Lr是串聯(lián)電感，可以是變壓器漏電感，也可以是變壓器漏電感加外部電感，而Lm代表變壓器的主電感。通過將諧振電容器Cr和變壓器的初級線圈連接在于正節(jié)點(diǎn)和半橋的中點(diǎn)之間，可以實(shí)現(xiàn)相同的轉(zhuǎn)換效果。當(dāng)高端開關(guān)HS接通時(shí)，能量將儲(chǔ)存在Cr和Lm中，儲(chǔ)存的能量將隨輸入電壓和開關(guān)頻率而變化(如如圖2所示)。
當(dāng)高端開關(guān)HS斷開時(shí)，變壓器中的電流將迫使半橋的中點(diǎn)VHB下降，直到低端開關(guān)的體二極管箝位電壓。然后，低壓側(cè)開關(guān)將在零電壓時(shí)接通，同時(shí)變壓器的相位將反轉(zhuǎn)，能量將轉(zhuǎn)移到次級側(cè)。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)斷開時(shí)，前一級變壓器中感應(yīng)的負(fù)電流將迫使半橋中點(diǎn)VHB升高其電壓，直到高端開關(guān)HS的體二極管箝位電壓，類似于前一級。在ZVS條件下，HS導(dǎo)通，LS關(guān)斷，但變壓器諧振回路中的電流仍然為負(fù)，這意味著諧振回路中多余的能量將被送回輸入端。
與其他反激式拓?fù)湎啾?，混合反激式變壓器需要存?chǔ)的能量更少，這有助于減小充電器的尺寸。
混合反激可以實(shí)現(xiàn)一次側(cè)完全ZVS，二次側(cè)完全零電流，漏能也可以回收，從而提高效率。
如下式所示，輸出電壓將隨占空比而變化。對于混合反激式，更容易實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍輸出，從而克服了LLC拓?fù)湓趯掚妷狠敵鰬?yīng)用中的局限性。
完整的解決方案如如圖3所示。臨界導(dǎo)通模式下的IRS2505和ThinPAK中的IPL60R185C7CoolMOS用于功率因數(shù)校正階段，而XDPS2201和IPLK60R360PFD7用于DC-DC階段。同時(shí)采用BSC028N06NS作為同步整流開關(guān)(以后可以用專門用于充電器同步整流的低壓ISZ0702NLS代替，進(jìn)一步提高性價(jià)比)，協(xié)議控制器為CYPD3174，p-channelMOSBSZ086N03NS3作為輸出安全開關(guān)。
采用這種設(shè)置，峰值效率可達(dá)94%，待機(jī)功耗小于60mW。
軟開關(guān)技術(shù)使器件能夠在ZVS條件下工作，也就是說，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管只有在其漏極-源極電壓達(dá)到0V(或接近0V)后才導(dǎo)通。這種策略可以消除器件的導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗通常是導(dǎo)致總開關(guān)損耗的主要因素。遺憾的是，由于輸出電容的“非破壞性”特性，所有的高壓SJ  MOSFETs都會(huì)遭受另一種損耗，即當(dāng)MOSFET輸出電容(Coss)先充電后放電時(shí)，會(huì)有一定的能量損耗。因此，即使在ZVS條件下工作，存儲(chǔ)在輸出電容中的總能量(Eos)也無法恢復(fù)。這種現(xiàn)象與Coss的滯后特性有關(guān)，當(dāng)執(zhí)行Coss充電/放電循環(huán)時(shí)，可以通過大信號(hào)測量來觀察滯后特性。由于這個(gè)原因，這種損失通常被稱為Coss滯后損失(Eos，hys)。
得益于英飛凌先進(jìn)的SJ技術(shù)，酷炫PFD7系列進(jìn)一步降低了遲滯損失，有助于進(jìn)一步提高效率。
結(jié)論
基于數(shù)字XDPS2201的ZVS混合反激式變換器可以在不同的輸入電壓和輸出電流條件下實(shí)現(xiàn)ZVS和零電流控制。此外，還可以回收變壓器漏電感的能量。高性能功率MOSFET有助于在60mmx40mmx18mm  100WUSB-PD設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)94%的效率。
英飛凌100 wusb-PD參考設(shè)計(jì)，體積小，效率高94%