从大而笨重到小而轻便，电源适配器也在“改朝换代”

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从大而笨重到小而轻便，电源适配器也在“改朝换代”

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在使用笔记本电脑和智能手机时，用户都希望充电越快越好，充电电源越小越好，因此从设备厂商到电源芯片厂商都在极力向着这个目标奋斗。但是电源适配器在小型化的过程中也面临很多挑战，比如：每个充电器在满载、半载、轻载以及待机时都希望达到高能效，我们针对轻载如何提高能效？随着元器件数量增加，密度变高，排列就会很紧凑，容易产生干扰，怎样同时做到高性能、EMI低、元器件数量少？ 除此之外，还要能涵盖从手机到笔记本尽可能广泛的充电应用，更重要的是性价比要高。

为了帮助用户解决这些问题，安森美推出了自适应有源钳位反激控制器NCP1568和700V半桥驱动器NCP51530，在拓扑结构、性能参数等方面进行了调整。据安森美半导体模拟方案部交流-直流电源管理高级市场推广经理蒋家亮介绍，“NCP1568 ACF控制器具备先进的功能和灵活的操作，有助于提供卓越的能效，同时使用了SJ FET或GaN FET，且只需少量外部器件就可实现高密度的设计。NCP51530驱动器是一款高速、高性能、强固的电源方案，包括针对汽车应用的AEC Q-100认证选择。”

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有源钳位反激拓扑实现高能效、低EMI

在传统的反激拓扑架构中，开关包含一个变压器和一个Mosfet。在开关时会产生振铃，它会产生高频的EMI，使得变压器漏电，耗散在缓冲器或者钳位电路中，难以在生产中控制和最小化。对于Mosfet损耗，应该选择Rd（on）FET减少高压损耗，在90V是降低能效时可能需要更好的散热器。如果不想产生EMI，需要周边的振铃电路来吸收，吸收掉就等于损耗掉，因此跑高频越多损耗越多，因此传统的反激拓扑结构不能跑到高频。

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对比用有源钳位反激架构，在上面多加一个Mosfet和一个电容，在同样有吸收能量的地方，当Mosfet关时，全部能量会存储在电容里，有需要时再重新利用这部分能量。只要把Mosfet的开关电压设置为零伏，下边的Mosfet就等于是零伏的电压开关，等于没有损耗。当Mosfet关掉时，可以把EMI损耗的能量全部重新利用，传递到二极管，等于整个电源转换过程不会有损失，这样既可以做高频，也可以实现低EMI，同时还会保持高能效，这就是有源钳位反激架构的优势。

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极大缩小电源适配器体积

NCP1568具有三种控制模式：第一，控制模式具有支适应零电压开关（ZVS）频率调制，支持可变的Vout，集成自适应死区时间，可以进行峰值电流模式控制；第二，非连续导通模式及轻载模式，可选过渡至DCM模式，频率返走，最小31kHz的频率钳位，静音跳跃消除可闻噪声，待机功耗小于30mW；第三，高压（HV）启动，700V HV启动JFET，集成高压开关节点检测以优化ZVS，内置欠压和X2放电。

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关于自适应零电压开关频率可调节这一特点，蒋家亮解释，“对于USB Type-C和USB PD应用，可以充手机的5V，也可以充笔记本的20V。另外，根据功率的不同，负载点的开关会做优化，减少开关导通损耗；自适应死区的时间也是确保每个周期开关状态最佳。IC需要将周期调到轻载、待机部分，以前反击做到非常低的待机，可能有声音，可以多加静音的方式。当一个频率返走的时候，我们可以把频率从29K马上调到800Hz，中间可以从29K变成20K或者十几K，这不好做，所以就是把中间的频率跳过。如何从29K开关频率马上跑到800Hz？1K、2K、3K、5K、10K这些人比较容易听到的频率全部跳过，马上跑到800Hz，也可以做到很低音的效果，这就是静音跳跃消除可闻躁声的效果。”

  H# v- Z! j4 X9 g) ]) ENCP1568 USB PD 65W 超高密度演示板

iPhone8和电源适配器比较图

如图所示，采用NCP1568 USB PD 65W 超高密度演示板的电源适配器相当于iPhone8手机的1/3。演示板采用了有源钳位反激及DCM工作模式，满载能效在120V时可以达到94%，在230V时可以达到94.6%，采用的是超结（SJ）FET，蒋家亮表示，“在94%的效率下基本不需要散热器，如果采用氮化镓材料，满载能效可能会达到95%多点。功率密度跟损耗永远都会有一个平衡点，在满载功率94%时不用散热片，假如用同样的板子跑高频，变压器更小，板更小，大概相当于现在的2/3，同样达到94%的能效，发热机会大。因为损耗是固定的，面积小了，发热提高了，所以要额外多加一些铜片散热，电压可靠性会高。”

氮化镓要选对拓扑结构才能发挥优势
目前氮化镓价格较贵，所以在高密度的部分，如果能够用普通的超结Mosfet，做到高密度就是首选的方案。同样在不同的负载上，在平均能效或者10%轻载的时候，基本上会达到90%或者94%的能效。未来氮化镓功率管是不是也适用于有源钳位拓扑呢？蒋家亮表示，“这取决于客户的目标，有的客户觉得用超结就满足要求，有些客户追求更高密度，希望使用氮化镓导更高频，我们的产品可以跑高频配氮化镓。如果用户要做设备降损，在上百K的位置也能高能效。”

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“如果拓扑结构没办法跑高频，用氮化镓跑高频也是浪费，所以用户选择时一定要让氮化镓配合适的拓扑，比如说有源钳位或者LLC零电压切换的拓扑才可以跑高频。我们目前的USB Type-C PD电源适配器方案，不是最小，但是可以做到更小。因为现在的频率是300K，假如到500K的高频率，变压器会更小，再配合氮化镓，功率密度一定会更高，适配器尺寸会更小。” 蒋家亮补充。

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