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有源钳位反激式补充超高密度 USB
接线图
2024年01月26日 10:46 166
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USB-C PD 3.0 100 W 可编程电源 (PPS) 等新兴应用正在推动对更小、更紧凑的开关模式电源 (SMPS) 外形规格（通常称为超高密度 (UHD)）的需求。正如您在图 1中所见，提高开关频率可减小变压器体积，有利于 UHD，但更高的开关频率会增加功耗，从而需要不断发展的反激式架构。
约 100 kHz 的固定频率/多模式反激式开关驱动标准 SMPS 适配器中的较大变压器。迁移到准谐振 (QR) 反激式可将开关频率提高至约 280 kHz，从而将变压器缩小至更小的 RM8 外形。采用有源钳位反激式 (ACF) 可让您达到约 450 kHz，从而实现外形更小的 RM8LP 变压器。最后，用氮化镓 (GaN) 代替硅结 (SJ) FET 可以实现 >600 kHz 的开关和更小的变压器体积。
显示 UHD 适配器权衡的图表图 1提高开关频率可减小变压器体积，但更高的开关频率会增加功耗。资料安森美半导体
反激式介绍
反激式是中低功率 AC-DC 转换器的一种流行拓扑，主要是因为其成本低且易于使用。反激式采用直流输入，包括变压器、电源开关 (Q1) 和次级侧的二极管（图 2）。变压器（点表示初级侧与次级侧的相位差为 1800°）是一个耦合电感器，只有当电源开关关闭时，能量才会从初级传输到次级。
反激拓扑示意图图 2反激式拓扑包括变压器、电源开关和次级侧的二极管。资料安森美半导体
反激式操作
当电源开关 (Q1) 打开时（图 3，左），电流从 Vin 流出，导致能量存储在初级侧和次级侧（磁通场扩展）电感器中。电流不流过次级，因为二极管由于 180? 相位反转而反向偏置。
当电源开关关闭时（图 3，右），初级和次级磁通场都开始崩溃，初级侧极性发生变化（反激式动作），现在电流在次级侧流动，因为二极管是正向偏置的。
电源开关打开和关闭的反激式操作的两个电路图图 3该图显示了电源开关打开（左）和关闭（右）时的反激式操作。资料安森美半导体
反激漏感
不幸的是，当电源开关 (Q1) 关断时，初级侧漏电感 (L Lkg ) 与电源开关漏源电容 C dss相互作用，导致 V DS处出现过度振铃，这可能会损坏 MOSFET（图 4，左边）。可以添加一个称为缓冲器的无源电阻电容二极管 RCD 钳位来保护 MOSFET（图 4，右）。缓冲器将 L Lkg能量从 MOSFET 漏极转移到缓冲器电容器 (C C )，并通过 R C散发热量。缓冲器不会提高整体反激式效率。
两个电路图显示了添加 RCD 缓冲器如何保护 MOSFET图 4添加 RCD 缓冲器可保护 MOSFET。资料安森美半导体
副边同步整流器
用 MOSFET（图 5中的 Q2，右）代替“续流”二极管（图 5，左）提高了次级侧效率。MOSFET 的R DSON比硅二极管（0.6V 正向偏置）甚至肖特基 (0.3V) 二极管消耗的功率少得多。
两个电路图显示了添加 SR MOSFET 如何提高效率图 5在次级侧添加一个 SR MOSFET 可提高效率。资料安森美半导体
谷底开关和准谐振反激式
在次级侧电流 (I SEC ) 达到零或断续模式 (DCM) 后，Q1 电源开关 V DS可能会由于磁化电感和开关节点电容之间的谐振而出现振荡（图 6）。这些振荡形成山谷。QR 开关寻找下一次电源开关导通的最低谷点。简而言之，在峰值期间开启 Q1 会增加功耗，而在谷值期间开启 Q1 会降低功耗
一系列图表和电路图说明电源开关振荡图 6电源开关可能会出现波谷开关振荡。资料安森美半导体
有源钳位反激式
用 MOSFET (Q3)代替钳位二极管（图 7，左）可提高效率（图 7，右），并保护电源开关 (Q1)。
两个电路图显示了有源钳位反馈如何提高电源效率图 7 ACF 架构提高了电源效率。资料安森美半导体
ACF 架构可以将漏电感回收回负载。参考图8的相对时序图，电源开关(Q1)在T0打开，在T2关闭。在 T2，漏感 (ICLAMP) 开始流经有源钳位 (Q3) 体二极管，为钳位电容器 (VCLAMP) 充电。在 T4，Q3 开启，继续 VCLAMP 充电。在 T5，ICLAMP 变为负，现在 VCLAMP 通过 Q3 将漏感放电回负载，直到 T7。
三个电路图和一个时序图显示 ACF 漏感回收图 8 ACF 漏电感循环显示在该相对时序图中。资料安森美半导体
从 T9 到 T10，有源钳位 (Q3) 在下一个 Q1 导通时间内将 VDS 稳定在 0V，称为零电压开关 (ZVS)。如果处于 ZVS，FET 电容为零。因此，导通开关损耗为零，效率更高。这是一种软开关形式，也有利于 EMI。
ACF 缺点
ACF 有几个缺点。回顾图 8 的相对时序，从 T5 到 T7，随着 ICLAMP 变为负值，磁通密度增加，导致有源钳位磁芯损耗略高于图 4 的 RCD 缓冲器。另一个缺点是 ICLAMP 流入变压器初级在 Q1 关断时间内绕组；这会增加初级绕组损耗。
ON Semiconductor 的NCP1568是一款高度集成的 AC-DC 脉宽调制 (PWM) 控制器，旨在实现 ACF 拓扑（图 9），从而使 ZVS 能够用于高效、高频和高功率密度应用。断续导通模式 (DCM) 操作允许在待机功率 < 30 mW 的轻负载条件下实现高效率。
NCP1568 LDRV 输出能够直接驱动市场上大多数超级结 (SJ) MOSFET，无需外部组件。ADRV 驱动器是一个 5V 逻辑电平驱动器，用于向 NCP51530 等高压驱动器发送驱动信号。高压驱动器应具有较小的延迟并适用于高达 400 kHz 的操作。
NCP1568 ACF驱动超级结MOSFET示意图图 9 NCP1568 ACF 驱动超级结 MOSFET Q1。资料安森美半导体
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