集成容性隔離助力高密度適配器設(shè)計(jì)

概述

快充需求推動(dòng)了高密度適配器的蓬勃發(fā)展。在實(shí)際的適配器設(shè)計(jì)中，花樣繁多的新型開(kāi)關(guān)功率器件、拓?fù)浜涂刂品桨覆挥?jì)其數(shù)。

隨著各種尖端技術(shù)的引入，適配器產(chǎn)品的功率密度也顯著提高。1W/cm3 已成為高密度適配器的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，這至少兩倍于五年前的市場(chǎng)產(chǎn)品。然而，密度增加了，應(yīng)用級(jí)別的產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度也水漲船高，逐漸被推向極限。設(shè)計(jì)人員必須不斷進(jìn)取，才能超越傳統(tǒng)解決方案的限制。

隔離要求

適配器設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一來(lái)自隔離要求。根據(jù)安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，適配器需要在原邊的高壓電路和副邊的低壓電路之間增強(qiáng)絕緣。在傳統(tǒng)解決方案中，隔離控制通常由光耦合器實(shí)現(xiàn)（參見(jiàn)圖 1）。但光耦合器僅在相對(duì)較低的帶寬下傳輸補(bǔ)償信號(hào)，用于輸出調(diào)節(jié)； 在這種條件之下，光耦合器無(wú)法實(shí)現(xiàn)原邊 MOSFET 和SR MOSFET的同步。

圖 1：基于光耦合器的傳統(tǒng)反激式變換器

因此，傳統(tǒng)方案中的SR控制只能通過(guò)監(jiān)測(cè)副邊繞組電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于 SR MOSFET 只能在原邊 MOSFET 導(dǎo)通之后才能關(guān)斷，因此在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 工作期間，始終存在擊穿。如果 SR MOSFET 不能足夠快地關(guān)斷，持續(xù)的擊穿可能會(huì)導(dǎo)致較大的反向電流和高電壓尖峰。這些高應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。為避免這些問(wèn)題，通常建議實(shí)施布局限制并使用大型緩沖器。然而，組件尺寸的增大和功耗的增加又進(jìn)一步限制了功率密度。

容性隔離解決方案

MPX2002和 MPX2003 是一種頗為有效的一體化解決方案，它將容性隔離集成到反激式和 SR 組合控制器中。 如圖 2 所示，該方案中集成的一對(duì)高壓電容器可以承受 4500VRMS 達(dá)60秒。這樣的隔離耐受電壓額定值完全能夠滿足大多數(shù)安全法規(guī)中的增強(qiáng)隔離要求。此外，它在高壓電容器之間建立起高速通信通道，能夠?qū)崿F(xiàn) SR 和原邊開(kāi)關(guān)之間可靠而精確的同步。

圖 2：基于 MPX2002 或 MPX2003 的反激式變換器

如圖 3所示，在所有工作條件下，IC 的內(nèi)部邏輯都能夠保證 SR柵極與原邊反激柵極之間典型的 30ns 死區(qū)時(shí)間。這極大地降低了 CCM 期間的擊穿風(fēng)險(xiǎn)，從而無(wú)需使用超大緩沖器來(lái)應(yīng)對(duì)擊穿引起的高壓應(yīng)力。

圖 3：MPX2002 解決方案中 SR 柵極和原邊柵極的典型波形

除了同步信號(hào)以外， MPX2002和 MPX2003 隔離電容器之間的通信還通過(guò)脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 傳送輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。在 PFM 期間，開(kāi)關(guān)頻率(fSW)和反激變換器的峰值電流均由 PFM 信號(hào)控制，這意味著該方案無(wú)需光耦合器。另外，MPX2002 和 MPX2003 分別針對(duì) 65kHz 和 130kHz 的額定開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化。因此，當(dāng)采用 MPX2002 和 MPX2003 構(gòu)建解決方案時(shí)，不再需要光耦合器。

無(wú)需額外組件還解決了高密度適配器的另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：有限的布局空間?？斐溥m配器需要更高的功率和更多的功能，這意味著更多的組件需要被塞進(jìn)狹小的空間內(nèi)。簡(jiǎn)化整體解決方案、減少組件數(shù)量等特性對(duì)于空間受限應(yīng)用變得至關(guān)重要。

圖 4 顯示了基于 MPX2003 設(shè)計(jì)的 40mmx40mmx25mm/65W PD 適配器。在沒(méi)有適配器的情況下，其功率密度可高達(dá) 1.63W/cm3。而且，即使在副邊添加了實(shí)現(xiàn) PD 協(xié)議需要的所有組件之后，布局空間仍有富余。

集成容性隔離的解決方案還具備其他益處，即，IC 可以直接置于變壓器下方，從而縮小PCB 布局尺寸。而根據(jù)安全法規(guī)的間隙要求，傳統(tǒng)解決方案通常需要將除光耦合器以外的所有組件都置于遠(yuǎn)離變壓器的位置。

圖 4：基于 MPX2003 的 65W PD 適配器設(shè)計(jì)

高度集成的反激式控制器極大地提升了效率與功率密度，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

SR 的精確時(shí)序控制消除了對(duì)超大緩沖器的需求，有利于空間受限應(yīng)用

先進(jìn)的 CCM 和準(zhǔn)諧振 (QR) 混合控制方案確保了工作狀態(tài)在較寬范圍內(nèi)得到優(yōu)化

顯著減少的組件數(shù)量降低了 BOM、縮短了上市時(shí)間

對(duì)變壓器下方空間的有效利用減小了 PCB 尺寸

從圖 5 可以看出，對(duì)于PD協(xié)議要求的任何輸出電壓 (VOUT)，這種方案的效率都可以通過(guò)主流的能量調(diào)節(jié)閾值，并且留有足夠的裕度。即使在滿載情況下，其效率依然可觀，這無(wú)疑簡(jiǎn)化了散熱設(shè)計(jì)。

圖 5：MPX2003 的效率曲線（65W PD 適配器設(shè)計(jì)）

結(jié)論

容性隔離的集成突破了采用光耦合器的傳統(tǒng)解決方案預(yù)期。而MPX2002 和 MPX2003 等反激式控制器尤以其超小尺寸、高效率和布局靈活性展現(xiàn)出集成解決方案的有效性。

總體而言，集成方案具備多種優(yōu)勢(shì)，如 SR 和原邊開(kāi)關(guān)之間更精確的同步、元件數(shù)量的減少以及更緊湊的布局等等。此外，這種解決方案還能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的控制方案，這進(jìn)一步提高了效率與功率密度，為未來(lái)更高功率密度的適配器開(kāi)發(fā)鋪平了道路。

審核編輯：湯梓紅