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        [导读]谈到便携式设备电源适配器一直是个麻烦它们的大小能效水平和功?#36866;?#20986;不足在某种程度上削弱了它们所支持的设备外形的?#20013;?#20943;小从而影响了可携性

        作者安森美半导体AC-DC事业群市场营销及应?#31859;?#30417;Ryan Zahn应用工程经理Ajay Hari

        本文引用地址: http://www.99155459.com/app/computer/201901/867631.htm

        谈到便携式设备电源适配器一直是个麻烦它们的大小能效水平和功?#36866;?#20986;不足在某种程度上削弱了它们所支持的设备外形的?#20013;?#20943;小从而影响了可携性

        现在USB供电(PD)通过单一电缆提供达100 W的电力和数据传输能力这一便利代表USB PD正在成为中小型设备首选的充电方式然而实施USB PD的一个挑战是以更高的功率水平提供不同的输出电压以满足人们迫?#34892;?#35201;的快速充电同时也不会最终用一个能效低成本高和笨重的适配器

        使用宽禁带半导体如氮化镓(GaN)功率器件是提高适配器能效和缩小适配器大小的一?#26234;?#22312;方法但这是该领域的一项新兴技术而且目前相?#22253;?#36149;作为另一种选择在拓扑方面的进步如有源钳位反激使用标准的超级结MOSFET支持设计人员能基于已证实的技术同时还?#24179;?#36866;配器设计

        我们生活在一个越来越频繁移动的世界我们随身携带智能手机笔记本电脑和平板电脑等多种设备以?#38712;?#26469;越多的可穿戴设备用于健?#23548;?#27979;和其他应用制造商?#24230;?#20102;大量研发?#24335;w?#20197;满足消费者的需求包括增加的功能和缩小的尺寸/增加的便携性

        当我们旅行时我们开?#23478;?#35782;到虽然制造商在设备本身的小型化方面取得了巨大的进步但所需的电源适配器/充电器?#20174;行?#33853;后与设备相比可能比较笨重这一点在旅行时尤为明显常常需要多个充电器来满足不同设备的电压和连接器要求

        显然需要某?#20013;?#24335;的标准化以使充电具有共同性从而减少必须携带的充电器数量以及减少每年丢弃的大量充电器所造成的电子废物

        USB 1.1额定功率为2.5 W(5V500 mA)USB 3.0将其提高到4.5 W(5V900 mA)但这种功率能力仅适用于小型设备如智能手机USB PD规范于2012年由USB Promoters Group发布支持达100 W的电力传输从而支持为更大的设备如笔记本电脑和显示器供电和为移动设备更快地充电改变输出电压的能力也增加了它的通用性?#34892;?#22810;内置于标准的精密功能包括双向供电(支持为电缆?#25105;?#19968;端的设备供电)和支持同时在同一电缆上传输数据和电力的快速角色?#25442;?/p>

        当USB PD被首次发布时它基于六个电源配置文件这些配置文件定义了可传输的电压和电流然而USB PD 2.0删除了配置文件并支持采用一种更灵活的方法使得电源可以支持从0.5 W到100 W的任?#25105;?#27714;

        虽然USB PD提供的灵活性可能会减少所需的充电器数但并不一定会减少单个充电器的大小这给设计人员带来了挑战电源适配器不仅必须与USB PD兼容还必须以合理的成本增加功率密度

        实现这一目标的途径已经相当成熟电源工程师直觉地意识到提高效?#36866;?#23454;现更高功率密度的关键更高效的设计产生较少的余热说明可通过更小的表面积来实?#30452;?#35201;的耗散为了提高能效工程师们寻求高效的拓扑和改进的器件特别是关键的开关器件如果这些开关器件具有?#31995;?#30340;动态损?#27169;?#21017;可以提高开关频率从而减小如磁性器件等笨重器件的尺寸

        目前重点关注的一个领域是宽禁带器件如氮化镓(GaN)FET在低损耗高温工作和快速开关频率方面提供许多优势但这些设备仍然较新和相?#22253;?#36149;此外它们还未经长期使用证实因此若要实现相当的结果工程师们更愿意依赖经过试验和测试的硅基技术

        一?#20013;?#20852;的解决现代电源适配器需求的拓扑结构是有源钳位反激 (ACF)这使用可变频率使零电压开关(ZVS)的超级结(SJ)FET跨越多个负载和线性条件这采用安森美半导体新的NCP1568 AC-DC ACF脉宽调制(PWM)集成电路(IC)实现将这一新器件与新的NCP51530高性能2A700 V半桥驱动器结合为工程师提供一个平台为今后的电源适配器设?#39057;?#23450;基础

         

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        图1NCP1568 ACF控制器

        NCP1568作为控制器提供智能的电源系统能实现超高密度和高能效的电源设计与ACF一样控制器在非连续导通模式(DCM)下工作提高轻载条件下的能效同时待机功耗仅30 mW使设计人员能够达到符合现代能效规范的要求包括欧盟CoC Tier 2该设计针对实施USB PD而优化同时需要尽可能最少的外部电路

        工作频率从100千赫到1兆赫使设计人员可缩小磁性器件尺寸功率密度是传统的反激设计的两倍该方案采用SJ FET峰?#30340;?#25928;达93.5%工作频率达400 kHzNCP1568还可与eGaN FET一起使用以提高开关频率从而更进一步提高功率密度

        NCP1568提供智能和控制NCP51530是集成的高低边驱动器在达700 V的电压提供两个N沟道功率MOSFET的高效功率开关从而在紧凑的空间实现高性能的电源方案NCP51530适用于具有较短传播延迟以及快速上升和下降时间的高频工作传输延迟(5ns)的严格匹配有助于提高所有应用的能效

         

        图260 W超高密度演示板

         

        图260 W超高密度演示板

        小结

        USB PD规范很大程度上解决了许多挑战这些挑战导致了今天使用的许多便携式设备需要大量不同的适配器这精简将使设计人员转向专注于使这些适配器更小和更高效?#20048;?#23427;们的大小抵消在使便携式设备更便携方面的巨大改进

        虽然想要转向宽禁带技术如GaN以应对功率密度挑战但许多人认为在可靠性至关重要的领域这是有风险的主要原因是GaN仍然相对较新而且?#24418;?#24471;到证实

        安森美半导体将NCP1568和NCP51530搭配通过结合一个高能效的拓扑(ACF)和减小器件大小的高频工作满足当前市场的需求虽然这些优势是通过可靠的和已证实的硅基超级结FET实现的但只要成熟该方案也兼容GaN器件

        高性能和经验证的技术的结合使得许多设计人员能够消除便携式设备的充电烦恼

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