近年来,快速充电技术的发展让智能手机充电速度大幅提升,“充电五分钟,通话两小时”更是成为vivo的经典广告词。快充技术本质上是提升充电功率,功率需求的增加,意味着产生移动性受限的更大的AD-DC适配器。对于这个趋势,很多电源IC厂商都致力于开发缩减电源尺寸的方案。

3月19日,TI(德州仪器)新推出市面上第一款量产的UCC28780有源钳位反激式控制器,以及第一个专门针对有源钳位反激式控制器设计的同步整流器控制器,UCC24612。这两者的结合能将开关的工作频率提高到1MHz,帮助将AC/DC适配器和USB PD充电器的电源尺寸减半。

1

TI高压电源解决方案副总裁Steve Lambouses表示:“消费者希望以更小的尺寸实现更快速的充电,这些新解决方案不仅能够实现这一目标,而且还能使设计人员以更低的功耗实现比之前更多的功能。”

有源钳位反激:以更小空间释放更多电力

对于AC-DC电源,由于简单,反激式转换器是首选的拓扑结构。理论上来说,开关频率越高电源的尺寸越小,因为缩减了变压器以及电容电感等无源器件的体积。但实际上,太高的开关频率会导致更多的变压器漏感,以热能的方式散发出来,不但影响转换效率,还易损坏元器件。因此,市面上的反激式开关电源的工作频率大多在几十KHZ,而此次TI发布了高达1MHZ的UCC28780有源钳位反激式控制器。与UCC28780一同搭配的是UCC24612同步整流控制器,同样支持高达1MHZ的开关频率。

“准谐振反激器一直是首选的拓扑结构,以往业界都是通过减小变压器漏感来缩减电源尺寸。直到现在,我们认为有源钳位反激打破了这个平衡,有源钳位可存储能量并将其传输至输出,并提供零电压开关,这样消除了两大主要损耗来源,使得尺寸大大缩小。”TI系统及应用工程经理John Stevens说道。

5 图:John Stevens 先生在介绍有源钳位反激式芯片组

但细节是关键,因为如果有源钳位得不到智能控制,它实际效果会变差。为此,TI专门为有源钳位反激电路开发了高达1MHZ的智能控制器UCC28780,让反激式电源以更小的外形尺寸达到高性能。

UCC28780+ UCC24612的优势主要体现在以下三个方面:

第一, 消除开关损耗并降低EMI,以适当的控制钳位,实现零电压开关。值得一提的是,零电压开关(ZVS)技术被视为由高频及更高效率要求而带来的所有挑战的应对妙法,其原理是在零电压下导通,在零电流下关断,以消除所有开关损耗。

但在实际应用中,电路设计者只能估算何时出现零电压和零电流,因而零电压开关很难实现完美同步。John Stevens表示,UCC28780通过创新的ZVS算法可以精准地抓取零点电压,进而降低开关损耗,这是TI独到的优势。

4

此外,UCC28780还支持氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET),进一步降低输出电容和导通电阻,缩减适配器尺寸。据了解,采用了GaN场效应晶体管的有源钳位反激式电路的转换效率高达94%-95%,大约比普通的硅基场效应晶体管提升了2%的效率。

第二,小尺寸。更低的开关损耗让该芯片组可在高达1MHz的频率下实现高效运行,可以缩减变压器、无源器件的体积,并省去了散热片。与目前的解决方案相比,可将整体尺寸缩小50%,而且功率密度更高。

第三,高效率。通过循环泄露能量并将其传递到输出端的方式提升效率,多模态控制在满载情况下可实现高达95%的效率,待机功耗小于40mW,超过CoC Tier 2和美国能源部(DoE)VI级能效标准。

6 图:吴渭强先生在介绍有源钳位反激式芯片组的优势

据了解,TI新推出的有源钳位反激式芯片组支持20W-150W的功率范围,主要面向高功率的市场。其中,对于75W以上的功率需求,TI还提供了一款UCC28056 PFC控制器。由于PFC(功率因子校正)的增加会降低转换效率,UCC28056可在10%负载下实现超过90%的效率,并且只有25mW的待机功耗,因而可以始终开启,减少元器件数量。UCC28056主要面向的市场是数字电视、台式电脑、笔记本适配器、电动工具和其他AC/DC应用。

2

最后,TI还展示了UCC28780EVM、UCC24612EVM这两款开发板,售价为499美元和100美元。而针对目前市场火爆的USB Type-C AC-DC适配器,TI还有一款65W的参考设计,具有85-265V AC的宽输入电压范围,该设计以非常高的开关频率和30W/in3的功率密度实现92%的峰值效率。

3

484