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设计超高功率密度的小功率AC-DC电源

大家好 接下来给大家介绍德州仪器 实现高功率密度 ACDC 的方案 从这里你可以了解到 有源钳位反激的这个工作原理 以及德州仪器的这个解决方案的 主要特点以及功能 那么 最后呢 会了解这个设计这个有源钳位的时候 需要重点考量的地方 那么相关的器件有 UCC28780 UCC24612 那么所针对的应用就是 高功率密度的电源适配器和充电器 USB PD 或者是其它设备的 AC/DC DC/DC的辅助电源 对 AC/DC 电源来说 最重要的指标主要是 要有高的这个效率 低的待机损耗以及高的功率密度 对 EPS 电源现有规范 不但要求这个满载时候的效率要高 而且要求百分之七十五载 百分之五十载百分之二十五载的时候效率也要高 那么通常是以这个这四个点的 平均效率作为要求的 那么这边列出了不同输出 额定输出功率下 DOE 跟 COC 这个的 四个点的平均效率的这个曲线图 那么对于 COC 来说 它不但要求这个带二十五载的 这个效率要高 而且还要求这个百分之十载的时候 这个效率也要高 不同的规范对待机损耗的要求不一样 这边以 ErP DOE 跟 COC 这个的规范要求为例 那么对功率小于两百五十瓦的 这个终端设备 COC 的这个要求是最严的 那么对功率大于这个两百五十瓦 那只要是 DOE 对这个规范待机损耗有要求 那么除了这个规范要求的待机损耗以外 那么一些客户还有特别的要求 例如一些手机充电器的客户 它们要求这个待机损耗要小于 30mW 甚至更低 为了满足这个 DOE 跟 COC 对效率以及待机损耗的要求 那么 IC 的设计上需要做一些非常多的考量 根据研究目前市场上供货量排名前十的 这个笔记本电脑厂商 它们这个笔记本电脑适配器的功率 主要集中在四十五瓦和六十五瓦 那么在这个功率等级内 QR 或者 DCM Flyback 是主要的这个选择的一个方案 以目前市场上能买得到的 这个六十五瓦的电脑适配器为例 那么功率密度是越来越高 那么这是去年刚推出的 这个六十五瓦的这个电脑适配器 它的功率密度高达二十一瓦 那么这个方案呢 它选择的方案就是传统的临界模式的 Flyback 加无源钳位的这个方案 那么它最高在九十伏的时候 效率就是达到九十伏 百分之九十 那么它能满足 DOE 跟 COC 的要求 而且能够支持 USB PD 那么如果采用 TI 的方案 我们可以达到这个二十四瓦 我们可以达到二十瓦 如果是没有带壳的话可以达到三十九瓦 那么我们的方案采用的是这个 临界模式的 Flyback 加有源钳位的这种方案 那么这个在驱动跟 GaN 一起配合的话 效率在九十伏的时候可以达到九十三点四 那么当然也能满 DOE 跟 COC 而且能够支持 USB PD 为什么有源钳位的临界连续模式的 Flyback 它的效率会更高呢 我们先来看一下这种无源钳位的 临界连续模式的反激 那么它漏感上储存的能量 它是通过钳位电路给损耗掉 这个损耗的功率可以用这个公式来计算 它跟开关频率是成正比的 那么另外一个呢开关损耗 也就是这个下管上寄生电容上储存的能量 它产生的损耗跟开关也是成正比的 那么这两个开关损耗随着开关频率的增大 它所占的比重就会增加 那么这样就意味着 你这种无源钳位的临界连续的反激 那么它的开关频率不能设的太高 否则的话效率就会变得很低 而有源钳位的临界连续的反激 那么它工作的时候漏感上的能量 在下管关断上管开通的时候 它是跟谐振电容产生振荡 那么这个振荡在这个下半周 它是把这个能量传到输出的 同时呢 由于上管开通的时候 也就这段时间内开通的时候 那么这个谐振电容上的电压 是一直加到了激磁电感上 那么就会使激磁电感从峰值一直掉到了负值 那么这个电压一直掉到负值的时候 那么当这个上管关断的时候 那么这个负值的电流会把这个 存在这个电容上的能量就给它抽出来 然后反送到输入端 那么在这个时候 VDS 电压 就会从最高电压掉到了零 那么这时候开通这个下管 那么就可以实现软开关 那么实现软开关的话 那么就可以使这个整个这个开关损耗 跟这个漏感的损耗是无损的 那么这样的话就可以使它这个效率变得更高 那么这样的工作开关频率可以提的更高 那么要实现这个软开关的话 当然要求这个负的电流产生的能量 那么要大于这个电容上储存的能量 这边对比一下有源钳位跟无源钳位的反激 那么它的这个损耗的这个对比 我们可以看出来就是说有源钳位的反激 那么它这个钳位的能量损耗是基本上是零 它是无损的 那么开通损耗是软开关 所以它也是损耗也等于零 但是呢就是说要实现这个软开关 我们所需要代入这个负的电流 那么这个负的电流 就激磁电感引入负的电流 那么激磁电感是负的电流的话 就使这个变压器上这个电流的峰峰值变大 那么峰峰值变大那就意味着磁通的变化率变大 那么这样带来的效果就是磁芯损耗会增大 那么另外一个这个负的电流使整个 流过电感原边绕组的电流的有效值变大 那么从而使绕组的铜损变大 所以说 在这个有源钳位 它虽然说基本上钳位损耗跟开关损耗等于零 但是它也引入了更大的磁芯损耗跟绕组损耗 所以在这边要做一个优化 那么所有的设计就是怎样去优化设计 这个负的电流变得非常的重要 接下来简单介绍一下有源钳位反激的工作过程 那么它一个开关周期主要从七个步骤来看 那么第一个部分那就是它原边下管开通 那么这时候输入能量储存在激磁电感上 那么这个工作就是跟传统的 峰值电流控制的反激是一样的 那么当它这个输入激磁电感电流 碰到了这个检测的 threshold 的话下管就关掉 那么当下管关掉的时候 那么激磁电感的电流就会 一方面对下管上的这个寄生电容进行充电 一方面对上管的寄生电容就会进行放电 同时呢会有能量在可能是电流转换到这个输出 那么在这个过程中 Vsw 这个电压再上升上去 那么直到 clamp 的这个值 第三个阶段就是 当 Vsw 上升到大于 Vin 加 Vclamp 的时候 那么体二极管就会导通 那体二极管导通的时候 这时候开通这个上管 那么这样上管就实现了零电压开通 那么同时呢 这时候漏感的能量在这个方向 就是转换到了谐振电容上 在这个第三阶段跟这个第四阶段 那么实际上这时候有部分的这个能量 已经通过变压器从次级绕组传输到输出负载 那么从这边看的话就是副边的电流 实际上就是激磁电流减去这个谐振电流 那我们看这个第五个阶段 那我们从这边来看的话就是 这时候这个谐振电容上这个能量 反过来这个对这个谐振到这个漏感上 那么在这个过程中实际上这个 谐振的能量是通过变压器传输到了输出 从而把这个能量传输出去 那么在下一个这个阶段的话 就第六个阶段的话 那就这时候副边的电流已经过零了 副边电流过零那么这边就断开 那这时候但是呢 谐振电容上的这个能量继续对这个激磁电感 继续加到激磁电感上 那么使激磁电感的电流继续的往负的走 当激磁电感往负的走了到一定的时候 这时候关断这个上管 那么这时候这个电流就会 由于这个电流是反方向 那么就会把这个储存在这个下管上的 这个寄生电容上能量把它抽走 那么实际上是反馈到了输入端 那么这个过程就是会使 这个 Vds 电压开始降低 当 Vds 电压小到体二极管导通的时候 这时候去开通下一个从这里 那么就可以实现了这个软开关 这样子的话就完成了 一个开关周期的这个工作过程 当然刚才也提到这个要实现这个软开关 还是要满足这个条件的 接下来介绍 TI 实现高功率密度的方案 那么原边这个控制也是 UCC28780 它是有源钳位反激的控制器 那么副边是 UCC24612 它是基于Vds 检测的同步整流控制器 那么它的外围控制非常简单 那么 UCC28780 跟 UCC24612 这两个都可以支持高达 1MHz 的开关频率 UCC28780 它是通过光耦来精准的调节输出电压 那么它可以支持 super junction 的 MOSFET 或者是硅的 MOSFET 也可以支持这个 GaN 的 MOSFET 那么支持硅的 MOSFET 的时候 它需要外加一个外置的 MOSFET 驱动器 那么如果是 GaN FET 的话 通常来说它会把驱动跟 FET 集成在一起 那么就不需要多加一个器件 那么除此以外 UCC28780 还需要一个外置的 高压启动 MOS 来实现这个高压的启动 那么同时使这个待机的损耗变得更低 首先我们介绍副边同步整流控制器 UCC24612 那么它是这个 IC 封装是 SOT 23 那么它的这个 pin 脚有五个 pin 脚 那么外围电路非常简单 它既可以做低侧也可以做高侧 那么它的检测是基于 Vds 检测 那么 Vds 的电压高达两百三十伏 那么它在这个整个控制的时候 它可以支持 QR 或者 DCM 它也可以支持 CCM 那么因为它这个工作的时候 它这个关断的速度非常的快 那么同时呢 它在这个电流的时候 它在这个电流比较小的时候 它可以实现这个驱动电压的这个调节 那么使它在关断的时候速度更快 那么对这个 VCC 供电的话 它可以高达二十八伏 那么最小的供电电压是二十四点二伏 那么还能维持它工作 那么这个 IC 可以支持 高达 1MHz 的开关频率 那么它有两个这个型号 一个是 UCC24612-1 一个是 UCC24612-2 那么它这个两个版本的 这个内部的延迟时间不一样 那么使它们根据不同的这个器件 或者应用那么选择 那么通常来说 UCC24612-2 的话 更适合用于硅 MOS 的有源钳位反激电路 那么或者是 LLC 控制器 基于 Vds 检测的这个同步整流控制器 工作原理还是比较简单的 那么当检测到 Vds 的电压 小于一个电压阈值的话 那么它这时候就开通这个同步整流 MOS 那么由于开通同步整流 MOS 以后 它这个相当于一个电阻 那么这时候 Vds 的电流就会变成了 跟这个输出电流的波形是一样 那么慢慢减少 或者是慢慢增大 反向慢慢增大 当这个电压大于这个关断这个阈值电压的话 那么这时候就把这个同步整流关掉 那么在这小段时间内工作的 是由这个体二极管在导通 那么这种方式的话 假设我不同的 MOS 管导通电阻的话 那么这个带来就是说 关断的时候电流点会不一样 也就是说如果是导通电阻大的话 那我可能会在这边更小的地方关断 那么导通电阻小的话 它可能在更大的这个电流这个地方就关掉 那么这样带来的这个效率上的损失 减小这个体二极管导通的时间 有利于减少这个同步整流这个损耗 从而提高这个效率 那么这一方面就是要减小开通的时候的延时 同时呢 要使这个同步整流关断的时候 在尽量小的这个电流下才去关断 所以这个对传统的反激来说 这个关断的这个延迟要尽量短 那么如果你在电流接近零的时候你才去关断 那么由于这个关断延迟的影响 那么有可能会有这个原边 MOS 跟这个副边同步整流同时开通的这种风险 那么会带来短路的风险 那么这种情况下是要避免的 那么解决的办法就是通过调节 Gate 的电压 也就是当我这个电流小到一定值的时候 然后调节 Gate 电压 使这个 MOS 工作在一个线性的一个区 那么目的是指这个就是我调节 使 Vds 电压维持在一个比较小的一个值 那么这样延长导通时间 当这个电流小到一定值的时候 关断的时候 Gate 电压已经调了很小 那么当它关断的时候 这个从小的电压关断下来 那么速度就很快 这种工作方式也有利于 就说让这个 IC 去实现 CCM 的工作 有源钳位反激的这个方案 那么对同步整流有一些特别的要求 首先呢 流过副边同步整流的电流接近一个正弦波 那么这种波形的话对这个调节 Gate 这种方式会有一些特别的要求 那么另外呢就是 如果是原边要用 GaN 或者硅的这个 MOSFET 那么它这个副边同步整流电流也有一定差异 那么用 GaN 这种 ACF 的话 那么它同步整流的波形 更接近于传统这种 Flyback 但是如果是用硅的 FET 的话 那么它副边同步整流更接近于 LLC 那实际上还增加了一个前端的这个 spike 那么除此以外 如果由于这个开关频率要工作到很宽 然后有很高的开关频率 那么所以它这个 blanking 时间设计要合理 那么通常你要采用一些 adaptive 自适应调节的 blanking 时间的一个方式 首先来看一下有源钳位反激怎样去解决 Gate 电压调节的这种问题 那么我们看由于它副边电流是一个正弦波 那么一开始的时候电流就很小 那么如果没有做特殊的处理 那么 Gate 电压调节就会触发 在这个电流很小的时候 就会触发 Gate 电压调节 那有可能 Gate 电压从这边就开始往下调 那么这样的话会使整个导通的时候电阻比较大 导通的这个损耗就会比较大 那么我们解决办法就是说我们会去做检测 每个周期 上个周期导通的这个时间 同步整流 MOS 导通的时间 然后下次周期的时候我会去 Gate 调节一定会在一半的时间以后才开始 才使它去调节 也就是说在这个电流正弦波后半周的时候 才可以使它去实现 Gate 调节 那么这样使它就避免了刚才出现的 提前把这个 Gate 调下去的这个问题 接下来我们看一下这个 用 GaN FET 跟用硅 MOSFET 的 同步整流这个副边同步整流这个电流的差异 这边绿色的这个曲线是这个 流过副边同步整流的电流 那么这个图显示的是用硅的版本 那我们可以看用硅版本的 MOSFET 副边电流一开始有个 spike 尖峰 然后一段延迟以后 然后才会产生一个接近正弦波波形 那么这是硅版本的 MOSFET 副边同步整流的电流 那么看这个是用 GaN FET 原边用 GaN FET 的情况 那么这个电流更接近于一个传统的 Flyback 也就是一开始的时候电流就冲的很高 然后再慢慢掉下来 掉下来以后在这边再接近于一个正弦波 正弦波一个方式 那么是什么原因导致这个有差别呢 我们看一下就是说主要原因 就是说这个用硅版本的 MOSFET 它这个寄生电容呢 这个等效输出电容它是非线性的 也就是说当电压比较高的时候 它的电容很小 当电压比较低的时候 那么电容较大 那么当这个管子在做切换的时候 就下管关断的时候上管开通的时候 这个电流切换的时候啊 从副边同步整流等效到原边同步整流的电容 实际上就会在跟这个原边上管电流 寄生电容值会有变化 也就是说当在这个一开始的时候它这个 上管上电容比反馈回来这个等效电容会小 而当过一段时间以后会使它 上管上等效电容比反馈回来这个电容大 那么导致的是什么原因呢 就是这个有个电流 原边电压有压差在这个漏感上 那么漏感上会导致一开始电流冲上去以后 有一个往回降到零的过程 那么这样就产生一个峰值 如果原边用 GaN FET 的话 那么从副边同步整流寄生电容 等效到原边的电容永远都是大于 这个上管用 GaN 的寄生的电容 那么这时候从电压上来看的话 就是叠加到漏感上的电压永远都是为正 那么这边就产生一个很高的电流冲上去 使它是上升的一个电流也不会掉下来 那么这就带来一个区别 TI 的同步整流方案 UCC24612 有两个版本 一个版本是 UCC24612-1 那么这个版本是用来支持 GaN 就是原边用 GaN FET 这种应用 那么它的差别就是它开通的时候延迟时间比较短 另外一个版本是 UCC24612-2 那么它的延迟时间更长一点 那么用来支持这个硅版本的 MOSFET 那么在这个同步整流这个开通关断的时候 实际上这个开通的时候它有可能 由于寄生电容电感的增大影响会产生一些振荡 那么这个振荡电压有可能会触发这个 在开通的瞬间又把它触发关断掉 那么这时候 所以有效方法就是 要加一个开通的 blanking 时间 也就是通常来说就是 我们叫 minimum on time 那么同样这个关断的时候 那么也就是说工作在 DCM 的时候 这个时候它这个 DCM 这个状态下 会可能出现一个就是说次边的振荡 就是原边的激磁电感跟寄生电容的振荡 那么振荡可能在过零的时候 可能使这个 VDS 电压 如果小于这个开通的时间的话 开通的电压的话 那么就会出现这个误触发开通 所以在这个关断的时候又会加一个 最小的 blanking 时间 或者叫最小的 minimum off time 由于这个现在这种控制器为了满足轻载时候 它可能会工作在多种模式下 同时呢开关频率可能要工作在很高的开关频率 所以这个就对关断的 blanking 时间带来很大的影响 那么就这个设计的时候 或者 minimum off time 这个设计的时候 要考量的就比较多 那么我们的同步整流倾向于 有四个东西组成的这个最小的 off time 或者是关断的 blanking time 那么第一个就是说如果你这个 有一个最小的值就是三百五十纳秒 第二个的话就是有一个最大的值 那么在这个之间呢我们会有 会做一个 就是说正常情况下会在工作的时候 百分之七十的上一次的 off time 百分七十左右的 blanking time 那么另外一个就是我们如果在检测到 这个有 DCM ring 的时候 那么它这个整个 ring cycle 我们可以检测到以后 以这个二点二倍的这个 ring 作为这个 blanking time 同步整流通常可以放在低侧 那么这样的好处就是说 它这供电可以直接从输出供电 当然这种方式如果对输出电压很高的情况下 那么就不合适 因为这样带来同步整流 IC 的驱动损耗太大 那么这样的情况你可以采用这个 加一个辅助 Winding 的方式来供电 那么这种应用例如这种 USB-PD 那么它输出电压范围很宽的时候 就用辅助 Winding 那么可以带来变低的损耗 当然 其实我们是建议把这个同步整流放在高侧 这样的好处就是放在高侧的话 那么就有机会通过这个变压器 来实现这个共模噪声的抵消 因为放在高侧的时候 这时候它产生的噪声是跟 原边产生的噪声是相互抵消的 那么高侧的时候 它这个供电比较麻烦 通常需要加一个辅助的 Winding 来供电 那么如果不加辅助 Winding 的话 也是可以通过这个 charge pump 这种方式供电 那么charge pump 就是你当这个 MOS 管关断的时候 然后通过 Winding 电压对这个电容进行充电 当它导通的时候就没有这个能量去充电 但是这种方式的话跟这个要求之后这个关断 这个 MOS 关断的时间也就原边开通的时间要比较短 比较长一点 足够长的时间 否则的话这有可能会让这个电压的 供电电压的变化范围太大 那么还有一种当然是你也可以加一个 LDO 线性的 就是分立元器件组成的 LDO 来实现供电 那么这边做一下这个总结 首先就是说 VDS 检测这种方式 是非常简单可靠的一个同步整流控制方案 那么为了使这个 MOS 管导通的时间尽量长 那么以及这个关断的时候速度更快一点 那么 Gate 电压调节这种方式 会有利于实现这些功能的要求 再一个就是说对有源钳位的反激 那么它这个对同步整流有一些特殊的要求 那么第一个就是因为它这个电流 是一个接近于正弦波的这种电流 那么第二个如果是用硅版本的 MOSFET 的话 那么会常出现一个 Leading 的电流 spike 那么当然第三个就是它对这么高的频率范围 频率范围的变化非常宽 那么所以对 blanking time 有一些要求 那么我们德州仪器新推出的 同步整流驱动器 UCC24612 非常好的能满足有源钳位反激同步整流的应用 接下来介绍德州仪器有源钳位反激的 控制芯片 UCC28780 那么它有两个封装 一个是 SOIC 一个是 QFN 那么它的 pin 脚是十六个 pin 那么这个 IC 最大特点 一是它可以支持高达 1MHz 的开关频率 那么第二个呢 它在很大的负载范围内都可以实现零电压开通 第三个呢它工作模式会出现多模式的一个控制 使它实现最好的轻载效率 那么这两个有利于使它实现 DOE 跟 COC 效率规范的要求 那么同时呢它由于带有高压启机的驱动电路 所以呢它可以使待机损耗小到 75mW 另外一个就是说这个驱动芯片 可以支持原边用这个 GaN FET 也可以支持用 super junction 或者硅的 MOSFET 那么另外它的保护上它有个 OPP 那么它 OPP 可以引入前馈 使它整个 OPP 在宽范围的输入电压下 它都能达到比较一致的 OPP 功率值 那么这边是这个 IC 的 整个 pin 脚的分布以及功能方框图 那么它的 pin 脚 从功能上来看的话可以分为四个部分 一个是这个供电的部分 IC 供电的部分 一个是信号采样的部分 那么一个是 Gate 的输出的部分 还有一个是编程的部分 那么供电的部分有四个pin 一个是 VDD VDD 就是给整个 IC 供电的一个 pin 脚 那么另外一个是参考 reference pin 那么它是 5V 输出电压的一个 pin 那么外围电路只需要加一个小电容就可以了 那么 HVG pin 实际上是来 控制外部高压启动 MOS 的一个驱动脚 那么再一个是 GND 就是地的一个脚 GND 的脚 那么 Sense 就说采样的信号 那么主要有五个 pin 脚 那么首先来个就是 VS pin 来检测 输入电压跟输出电压 可以做一些保护 输入保护 那么 CS pin 是来检测原边 MOS 管的电流 那么也就是做一个峰值的控制 那么当然做过流过功率的保护 那么 FB pin 就是一个电压反馈环信号的 pin 脚 所以呢通过这个 pin 脚来调节输出电压 那么这三个 pin 脚基本上大家都会有 那么有一个 SWS pin SWS pin 是连接高压启机的一个 pin 脚 那么同时它又作为一个就说 我们 GVS 检测的一个 pin 脚 除此以外 还有一个过温保护 就是我们有个 NTC pin 脚 那么可以做过温保护 也可以作为一个 disabled IC 的一个 pin 脚 那么输出 pin 脚有三个 pin 脚 主要是低侧 Gate driver 那么高侧 Gate driver 那么还有一个 enable pin 叫 RUN pin 它可以 这个 pin 脚可以有利于 就是说 IC 去驱动我们 Gate driver 的一个 IC 那么使它开通关断 那么特别是在轻载的时候 有利于改进它减少轻载的损耗 在接下来就是说一些编程的 pin 脚 编程的 pin 脚主要有四个 那么 SET pin 就说它连接到 REF pin 或者连接到地的话 它可以支持不同的这个类型的 MOSFET 例如接到这个参考值就是接到 5V 的话 它是支持 super junction 的 FET 如果是连接到地的话 就支持 GaN FET 那么 BUR pin 主要是设定就是说 我进入 burst 原边电流的峰值的这个值 那么如果我原边的电流小到 峰值小到这个值的时候它就会进入 burst ART pin 是用来设定这个最小的就是 从上管关断到下管开通的死区时间的一个值 那么 RDM pin 呢 实际上是来设定这个就是上管开通的这个时间 就是我们设定一个最小的这个 或者是一个初始的一个上管开通的时间 也就是 DeMagnetization 这个时间 接下来我们来介绍一下 这个 IC 的这个启机的一个时序 那么主要分为两个部分 一个是 IC 从供电到开始工作 以及开始工作以后软起的一个过程 那么当这个电源供电的时候 那么 IC 的供电是通过一个 高压启动的这个电路 那么用 HVG pin 来控制 这个高压启动的 MOS 工作 以及 SW 会提供这个充电的一个回路 SW 提供这个就是 VDD 充电的回路 那么刚启机的时候 这个是个耗尽型的这个 MOSFET 那么它又是个高压的 MOSFET 那么由于它这个上面耗尽型的 MOSFET 电压等于零的情况下它这个会导通 会就光一个导通 那么这个电压都会加到了 在这个电阻上就会产生一个电流对 VDD 充电 那么一开始这个两个 MOS 管 就是这个管子跟这个管子是开通的 那也就是说 VDD 的电压 跟 HVG 的电压是同时上升的 而且是基本上接近相等 那么当 VDD 电压小于这个 1V 的时候 这个充电的这个电流是比较小的 那么当 VDD 电压大于 1V 的时候 这个充电用更大的电流充电 那么 VDD 充电时间就很快速度很快 那么这样做的目的是 防止 VDD 短路的时候 那么过大的充电电流 使这个 IC 损耗太大或者是过热 那么当 VDD 的电压充到十七点五伏的时候 那么这个就会把这个关掉 那么同时呢 在这个过程中 会把这个 enable 这个 5V reference 输入电压 那么这个里面 LDO 会在这个电容上 会产生这个 reference 并产生 5V 的电压 建立5V 的电压 那么同时呢会把这个开关跟这个开关关断掉 关断掉的话会把这个开关开通 那么这里面会有一个电流 对这个 HVG 电压进行放电 那么 HVG 放电的过程中 就会使这一点 QS 这一点电压有偏差 那么这样电压的偏差就会使 Gate 关断掉 就会使 MOS 管关断掉 那么这个关断过程 当这个电压掉到了 11V 的时候 这个 IC RUN pin 就开始 enable 也就开始可以输出 可以工作 那么当真正的 Gate 上下管 Gate 开通的时间会有个延迟 就是大概 2.2 微秒的延迟以后 那么这 IC 才开始工作 那么 IC 提供这个 Gate 输出的情况下 一开始这个会处于这个软起的状态 那么软起的状态是怎么做的呢 就是一开始这个我的这个原边电流的峰值 会设定到比较小 也就用一个比较小的峰值电流去充电 那么接下来会把它就充到一段时间以后 就把换成 0.6V 充电 那么最终会通过环路控制就会使它自动 一开始启机的时候工作在一个 比较大的一个电流上 那么这样防止一个电流的一个电压过冲 或者是这个噪声过冲电流太大了一个情况 那么 IC 正常工作的时候怎样去实现软开关呢 那么我们 UCC28780 采用的是自适应调节软开关 那么这样有利于解决不同这个参数 对这个实现软开关的影响 例如有个激磁电感 它的这个 tolerance 是非常大 那么会影响整个软开关 那么 自适应的调节是怎样实现的 也就是我们从上管到下管 上管关断到下管开通之前 我们会有一个设定一个固定的死区时间 那么这个固定的死区时间之内 我们去判断这个 VDS 上的电压是否过零 如果没过零那么我们就说明 这个前面这个周期负的电流太小了 那么没有足够能量把 VDS 拉低实现软开关 那么下一个周期我们会把上管开通的时间变长 使这个负的电流增大 那么在下个周期上管关断的时候就会使 这个有足够大的负电流实现这个软开关 那么这样调节过程就是一个自适应的调节过程 那么跟这个其它这个电感 或者是这个 MOS 管寄生电容参数的影响没有关系 因为它是实时检测的 那么对上管来说 我们刚才讲的上管实际上它在开通的过程当中 实际上只要我留够足够大的死区时间的话 它就有足够的这个 由于它这个关断的时候 这个电感电流峰值很大 所以它很容易就实现软开关 那么这边大家可以看一下就是说 自适应的这个软开关控制 它实际上在启机的时候状态很慢 它很快 你看启机的时候它很快就进入 就从这个硬开关就调节到 自动调节到这个软开关的工作 那这边的波形显示就是在稳定工作状态情况下 每一个周期之间都实现了这个软开关开通 这边电压已经到零的时候它上管才开通 下管才开通 为了使这个 为了实现更好的轻载效率 那么这个 UCC28780实际上工作在 多模式的一种状态下 那我们有四种工作模式 第一种叫调幅的模式 那么第二个就是自适应 burst 模式 那么还有一个低功率模式跟待机模式 那么这四个模式就是说当载比较重的时候 它工作在这个 AAM mode 也就是调幅模式 峰值调幅的模式 那么这调幅模式就是当负载比较重的时候 调节原边的 MOS 管上的电流峰值是最大的 当负载减小的时候 它就可以把峰值的电流慢慢减小 那么当这个负载减小到一定程度的时候 就是说原边峰值会减小到我们这个设定的 这个 burst 模式的峰值点 那这时候就会进入 burst 模式的工作状态 那么在这期间 在 AAM 工作期间 任何情况下都能实现这个 GVS 开通 也就是零电压开通 所以它整个效率非常高 那么应该再讲 我们说这个整个工作方式 它因为在这个 AAM 它是基于一个临界电流连续的模式 所以呢当这个原边这个峰值减少的时候 那么这边对应的开关频率就会慢慢增大 那么在这一点增大到 burst 的时候 这时候进入的这个工作会维持这个 在 ABM 下会维持这个峰值为 burst 模式峰值 然后呢 我们继续这种状态下 而且会维持它的开关频率就会维持在 进入 burst 之前的这个开关频率 那么这样做的好处 就是在整个 ABM 的时候 当它工作的时候 都是工作在这个最高的一个开关效率下 那么在这个 ABM 工作中 它随着负载变化它会去调节每次 burst 时候 开通这个整个工作周期的个数 那么我们可能从一开始九个周期到八个周期 那么慢慢会减少到两个周期 那么这个调节的过程中 自适应的去调节这个 burst on 的时候 这个开关周期 那么目的是调节使这个 burst 这个频率 维持在 25k 到 33k 之间变化 那么这样在这个工作过程中 效率得到了非常高的效率 那么同时呢在这维持的这个在 burst on的时候 它想要实现软开关 所以这整个在 ABM 跟 AAM 的时候 这个整个开关的这个效率非常高 同时呢 由于它工作的频率很高 而且 burst 的频率大于 20k 所以不会出现这个噪声的问题 那么如果这个负载继续减小 那么我每次工作的时候只有两个开关周期 那么如果你负载继续减小的话 那么可能储存的能量会过多 为了维持这个 burst 频率大于 25k 那么必须把这个原边这个电流峰值继续减小 那么继续减小到一定程度的时候 我们减小到我们这个设定的 就是内部最小的峰值电流的时候 那么它就会使 burst 频率继续降低 那么这个峰值电流就是 0.25V 这个一个峰值 是由 IC 内部已经定好了的一个参数 那么用这个整个的四个工作模式 使它从满载到轻载的时候 都能实现非常好的效率 我们特别要说明一下 就是在 LPM 跟 STBYPM 的时候 这时候 PFC 是工作在一个传统 PFC 工作状态 而不是工作在 ACF 状态 也就是说这时候上管是被 disabled 上管的 MOSFET 是被工作 disabled 状态下 那么这样的好处是减小驱动损耗 就是上管开通关断的时候这个驱动损耗 这边用这个图来说明四个工作模式的一个状态 那么在 AAM 的时候 这个激磁电感的电流是临界连续的 那么当这个负载减小的时候 这个有没有这个电感的峰值会减小 那么峰值减小那么它就会使它开关频率增大 那么在 ABM 的时候 这时候会 burst 的时候 这个电流的峰值是固定不变的 就是它进入我们设定的这个 burst 的这个值 那么通过调节这个就是工作时候的这个 就是用 RUN pin 来控制这个 on off 就是 burst on 跟 burst off 那么当 RUN pin 为高的时候 那么这时候 burst 开始工作 那么这时候 burst 工作的周期数由负载决定 也就是我负载大的时候我多出几个脉冲 负载小的时候少出几个脉冲 那么维持它这个 burst 频率在 25k 到 33k 之间 那么 LPM 的时候 这时候呢我电流峰值就会慢慢减少 维持这个就说 high 的时候 这个工作的周期是两个周期 那么这两个周期之内 我这个电流峰值是慢慢减小 那么使它这个 burst 频率维持到 25k 以上 那么在 STBYPMP 模式的时候 这个电流峰值继续就是说 会维持在我最小的这个峰值 那么最小峰值 那么同时是工作在两个开关周期内 那么这时候如果你再多的话 它再继续减少的话 那么它这个提供能量过多 那么就会使这个 burst 频率小于 25k 那么在这边我们就不做一个限制 虽然说这时候开关频率小于 25k 会带来这个可能会进入这个听得到 这个噪声的这个频率范围 但是呢 因为它这个电流峰值非常小 那么它能量非常小 所以呢产生的噪声能量强度不够 那么就不会带来噪声让人听得到这个噪声 UCC28780会提供非常丰富的保护 那么除了这个 VDD 的开通与关断以外 那么还有这个 CS pin 提供的这个过功率保护 峰值电流保护过流保护以及短路保护 那么在短路保护的时候 它实际上是组合了这个 CS pin 的电流的信息 以及 VS pin 这个输出电压的信息 那么就是说通过检测这个 CS 跟 VS pin 的电压 然后来知道判断这个输出短路保护 再一个就是通过 VS pin 可以检测 这个输入的电压跟输出电压 来实现过压保护跟 Brown-in Brown-out 保护 那么除此以外就是一个 NTC pin 那么 NTC pin 可以做一个过温的保护 或者是通过外部信号 来做一个关断 IC 的一个保护 那么除了这些通过外部脚 检测信号来达到保护以外 那么 IC 本身的这个 pin 脚的开通 这个断路或者是短路 那么都会有对应的保护 那么这样的话 整个 IC 工作的可靠性是非常高的。 那我们看怎样用这个 VS pin 来做这个 Brown-in/out 跟输出 OVP 的保护 那我们知道这个 VS pin 它是可以去采样辅助 Winding 的这个信号 那么当这个辅助 Winding 这个 就是 MOS 管开通的时候 当原边 MOS 管下管开通的时候 那么这边检测信号就是就这个 辅助 Winding 的输出变化 就是跟原边输入电压成正比 那么通过这个是上面为负下面为正 那么就会产生从输入这边就会产生一个电流 那么这个电流大小就跟输入电压的大小成正比 那么通过这个电压来设定 我什么时候这个 IC 是开通的 什么时候 IC 是关断的 OK 那么再一个如果是原边 MOS 关断的时候 副边二极管或者副边这个 MOS 开通的时候 那么这时候这个辅助 Winding 上面电压是上正下负 而且是跟这个输出电压成正比 那么通过这个分压电阻来分压 来实现检测这个输出电压 那么当这个检测到电压大于 4.5V 的时候 那么我们就会进入 OVP 的保护 那么 Brown-in 跟 Brown-out 都是只要检测到三个周期或者四个工作周期的话 就会出现这个 就可以起到保护 那么如果 Brown-out 的话 那么要检测到它这个 检测时间大于六十个毫秒以后 那么才会进入保护的一个时序 UCC28780 提供了多层次的这个过流过功率保护 那么首先我们看就是说 如果你这个输出的原边 就是 MOS 管的这个电压 就是 CS pin 的电压峰值 如果大于这个 OCP 的参考值 通常是大于就是 1.2V 的时候 那么只要检查到有三个周期 持续三个周期大于 1.2V 那么这个时候就会触动这个过流保护 那么过流保护的工作功能就是这时候关断 IC 那么要等到1.5秒以后重新再开启 那么这是最高就是最快的一个关断的速度 那么第二个层次就是峰值电流限制保护 那么这个保护就是如果你这个检测到 CS pin的电压大于这个0.8V 那么时序时间是 160 纳秒的话 那么就会把这个 Gate 关断 IC 关断 disable 掉 那么 disable 掉以后它要等到这个另外一个时序时间 就是等到 1.5 秒以后才能重新开启 那么这是第二个层次的保护 第三个层次就是过功率保护 也就是说过功率保护就是当我这个 CS pin 的电压大于这个 0.6V 然后呢这个持续时间 160 个微秒的话 那么这时候它就会起到保护把 Gate 关掉 那么让它这个时序的这个开关这个 在 1.5 秒以后才重新开始 那么这个过功率保护 因为这个在输入电压不同的情况下 这个因素影响这个保护的功率 例如 如果你在 low line 是 0.6 那么在 high line 还是 0.6 那么这时候 high line 整个的这个功率就会 过功率的保护功率就会不一致 可能会变得更大 那么所以呢通常我们这边引入了这个前馈 也就是通过这个 VS pin 检测的这个电压 来调节这个 OPP 这个峰值电流的这个值 那么就是随着这个 也就是说我们这个 OPP 的这个 threshold 会随着这个输入电压的增大而变小 那么这样的好处从外边来看就是 这是个 45 瓦的应用 那么这个从 90V 到这个265V 整个输入的这个 OPP 的这个峰值 大概维持在接近比较小的一个范围内 那么这样的话可以有效的起到这个过功率保护 那么再一个就是 我们讲了 NTC pin 也就是 OTP pin 那么这主要是作为一个过温保护 我们这边就是在这个 NTC pin 上 内部会流出一个一百微安的电流 那么这个一百微安的电流 如果在这个外面接个电阻的话会产生一个电压 那么这个电压如果是小于这个 1V 的话 那么就会使这个把这个关掉 就是这个 IC 关掉 那么要这个 IC 恢复的话 一定要使这个外接的这个电压要 或者是电压要上升到这个 2V 左右 那么这样子的话 才能使它这个 IC 重新恢复工作 那么这就相当于就等于说 我外面加一个 NTC 的电阻 那么当这个 NTC 电阻过温的时候 NTC 电阻比较小 那么它就会开始工作 那么当这个不工作的时候 那么这个 NTC 电阻温度慢慢降下来的时候 再重新让它工作 设计这个有源钳位反激的时候 当然大家可能或者是 AC/DC 电源的时候 那么重点可能大家还是关注怎样去提升效率 那么当然也会考虑一些 例如怎样实现小的噪声小的纹波 那么同时还要解决 EMI 问题 那么接下来介绍一下 设计 UCC28780 的时候一些小的这个提示 首先我们介绍如何设定这个合理的 这个死区时间来实现这个软开关 那么我们这边看一下 如果你这个死区时间太大的话 那么也就是我用一个很小的激磁电感的负电流 就可以实现软开关 而且呢这时候有可能使这个软开关过零以后 这个电压有反馈振荡出来 那么也就这时候那个电流峰值就可能变得过大 那么过大这个就会失去软开关的作用 那么如果这个上管到下管 这个死区的时间太小的话 那也意味着就是你要去自动调节 把这个增大这个负的电流这个值 来使它实现软开通 那么负的电流越大的话 那么带来的坏处就是它这个导通的损耗会增大 那么它的死区损耗也会增大 那么这种在这个轻载的时候就变得更加恶劣 那么怎样去设计合理的这个死区时间呢 这边有一个公式 这个公式就是一个理想的一个最小的死区时间 那么它主要由三个部分组成 一个部分的时间就是 刚才讲的 Gate 关断的延迟的这个时间 Gate 内部关断的延迟时间 第二个部分就是说 从这个输出反馈电压到输入电压这之间的时候 这段时间所需要的时间 那么第三个就是四分之一的谐振 就是激磁电感跟原边寄生电容谐振的 四分之一周期的一个时间 那么为什么要设定这个时间 实际上这个时间有利于 就是说我在 Low Line 时候 就能够用很小的这个负电流就可以 使它实现自动的软开关开通 那么这样就有利于去减小负的电流 就是激磁电感的负电流 那么一旦这个时间预估出来以后 我们可以用这个公式去算这个电阻 去预设定这个电阻 那么在实际过工作的时候 还可以去通过调节这个电阻来调节这个死区 从而优化这个效率 那么接下来我们讲这个怎样去设定 这个记录 burst 这个点来提高这个效率 那么同时会介绍一下 就是说从 ABM 到 LPM 的时候 怎样设定它的这个滞环 使它不会出现一个噪声的问题 我们先看一下这个效率 就是用硅 MOSFET 跟 GaN MOSFET 在轻载时候这个效率的变化 那么这边以 30 瓦这个管作为例子 那么我们发觉说用硅版本在高压的时候 高压输入的时候 它这个在百分之五十载到百分之二十五载 这边的效率差异高达 7.5 个点 而用 GaN FET的话 从百分之五十载跟百分之二十载之间 这个效率只差了 2.6 个点 那么原因是什么呢 就是说主要原因还是说 我们看为了实现软开关 那么我们需要一个负的电流来实现 但是呢如果用硅的 MOSFET 那么这个负的电流要实现软开关 这个负的电流就很大 那么这负的电流 实际上它并没有把能量传输出去 它只是在原边环流 那么原边环流就会导致刚才讲的 原边绕组 Winding 损耗增加铜损增加 那么同时还会带来铁芯损耗增加 那么这种情况下特别是在一开始 如果你这个产生的损耗在载比较重的时候 因为电流峰值比较大 那么它所带来的比重比较小 那么它就影响不那么大 但是在载比较轻的时候电流峰值很小 那么它本身这个带来损耗的体现就特别严重 那么这就是为什么它就说用 Si FET 跟 GaN FET 它这个轻载的效率会变化比较大的原因 那么怎样去设计这个呢 就是你要就要去改善增加轻载的效率 最好方式就是说设定这个 burst 的电流高一点 就进入 burst 的这个电流峰值高一点 那么这是一个设定一个 burst 的一个方式 那么你还可以把它设的更高一点 那么通常来说建议设到 百分之五十到百分之六十的这个负载 这样比较合适 那么举个例子 如果你原来是最大原边电流是0.3A 0.6V 那么我们可以设到 0.3V 左右 OK 那么怎样去设定这个 burst 呢 那么它主要由 burst pin 来设定 那么这个通过再增加一个电阻到这个 REF pin 那么跟再增加一个电阻到这个地 pin 脚 那么最好这边加一个小的电容 来使它防止噪声的影响 那么这个 burst pin 跟这个电压 也就是 burst 电压跟这个电阻的关系 是用这个公式来算出来 这边就是一个我们实际这个 45 瓦 EVM 板上 看到了就是我们设定在的百分之六十左右 这个 Burst 那么看在百分之五十载的时候 它是已经进入一个非常稳定的这个 burst 工作 那么在百分之二十五载的时候 它进入这个 burst 的这个个数就减少了 那么在这百分之十载的时候 这个 burst 的这个个数就变得更少 就是每个开关周期的时候个数更少 那么它可以高达 94.2 这个效率在 115V 的时候 那么在 230V 时候可以达到 93.6 OK 那么在我们这种模式切换 也就是在 LPM 跟 ABM 之间 那么如果在某个载下那有可能出现不稳定 那么这边我们看到一个例子 就是说你如果这边发现问题就说它在某一个载下 那么就是在这个整个工作呢 IC 工作在 LPM 跟 ABM 之间切换 那么 LPM 是工作在哪 就是当如果高侧跟低侧同时工作的时候 它就在自适应模式工作方式 那么在这个只是低侧在工作 高侧不工作的时候 它们就工作在 LPM 模式 那么这个 burst 频率可能大概在575k 那么这样就会导致这个输出 有一个 575Hz 的噪声 那么噪声非常明显 那么要解决这个问题呢 就是要在这边加一个滞环 就在 LPM 跟 ABM 中加一个滞环 那么滞环实现怎么实现 主要是通过就是内部 当这个从 ABM 进入这个 LPM 的时候 那么这个 2.7 微安的电流就会流出 burst pin 那么在这个 burst 上 在这个上面产上一个电压 那么这电压就引入了一个滞环 那么这个滞环大小就是用这个公式就是用这个 实际上它就是 2.7 微安乘以 这两个电阻并联的一个值 OK 那么用这个 就是 C 这个 burst pin 脚上加一个电容 那么这个电容可以有助于 去防止一些噪声对它产生的一个影响 那么这边就是实际这个 就是说 LPM 大于 HPM 的时候 这个加入这个 0.15V 的这个滞环这种工作情况 那么从这边切换来看的话 从 ABM 传到 LPM 的时候 这个整个工作非常的稳定 那么替换非常稳定 那么从 LPM 切换到 ABM 的时候 这个切换也非常稳定 所以呢这个是一个非常好的设计 那么接下来再看一下 USB PD 的设计 那么因为 USB PD 它这个输出电压变化很大 就是有可能从 5V 到 20V 的这个变化 同时输入电压变化也很大 那么对 USB PD IC 的设计有一些影响 那么最主要还是在这个辅助 Winding 上 也就是说你辅助 Winding 假设你这个为了满足 IC 工作 那么最小电压可能要到十几伏 那这个供电是要大于十几伏 那么你在 5V 的时候要满足它工作 那么 5V 的时候这边是几伏 那么如果到这个输出为二十几伏的时候 那么这个电压可能高达四十几伏 那么 IC 的这个 VCC 是支持不了 这么大的一个电压 或者损耗也非常大 那么解决的办法就是加两个 Winding 当这个 USB 就说当你输出电压调到这个 15V 以上的话 那么用这个辅助 Winding 的电压分量会产生电压 产生一个电压来供电 VCC 那么这个电压会大于这两个管子产生的电压 因为这边有个稳压 LDO 输出的电压 那么实际上也就是说在输出电压比较高的时候 由这个小 Winding 来给 IC 供电 那么这个辅助 Winding 这个信号 它提供电流就是基本上就是等于零 那么这个损耗就很小 当这个输出电压在小于这个 15V 也就是 9V 到 5V 之间的时候 那么这时候辅助 Winding 这边的信号 这边产生的这个电压会变小 那么这个电压会小于这个我用 这个辅助 Winding 产生的电压 经过 LDO 输出的电压 那么实际上这个时候这边的二极管就会关断 那么这样产生的供电 IC 的供电 就是由这两个 Winding 产生 加 LDO 产生的电压来供电 那么这样的话使这个整个 IC 的损耗会比较少 这是 TI 这个官网上就是发布的一个参考设计 那么它是 65W USB Type-C PD 那么它的这个功率密度达到 30W/in3 那么它这个设计呢 可以满足这个小于 75W 这个待机损耗 那么它采用的是 GaN FET 也就是两个分立的 GaN FET 加一个隔离的驱动 那么用的这个控制器就是我们 28780 那么同步整流加 24612 那么 PD 的控制协议用 TI 的 TPS25740 来控制 那么大家如果有兴趣可以通过 TI 官网去搜 TIDA-01622 就可以找到这个参考设计的所有资料 最后介绍一下改进这个效率的一些建议 那么第一个是这个变压器的设计考量 那么首先选择 既然要选择这个磁芯高频特性好的 TDK-N49 Ferroxcube-3F36 那么 Winding 的选择 Winding 线的选择那么当然要选择丽兹线 那么你还要因为这个开关频率这么高 那么你还要考虑这个选择丽兹线的时候 要考虑这个直流电阻跟交流电阻的一个合理值 那么这边要怎样去平衡它 那么这种 guidance 就是跟你高频时候 你设计怎样去减小它这个 集肤效应跟临近效应的影响 那么再一个就是我这个磁芯的磁通的变化 或者磁感应强度的变化 这个值的话要求在 0.15 到 0.2 之间会比较好 这样的话可以减小这个磁芯损耗带来的影响 那么就在 MOSFET 的选择的话 如果是 super junction 的 MOSFET 那么低侧的话它的电容要尽量小 就是它寄生电容要尽量小 那么当然低侧 Rdson 要尽量小 那么高侧的话这个电容也要小 但是呢它这个电阻 导通电阻稍微大一点点还是可以接受的 因为在这上面的这个电流有效值稍微会低一点 最后做个总结 传统这个无源钳位的反激 那么它由于它存在这个钳位的这个损耗 以及这个开通损耗 那么这就限制它去应用到高功率密度 或者高频高效这种应用 那么有源钳位反激它可以有效的减少这个 消除这个钳位损耗以及它这个开通损耗 但是呢 它可能会带来一个绕组铜损 以及变压器磁芯损耗的这个增加 所以要去在设计上要去考虑整两个之间的平衡 但是呢有源钳位反激是一个非常好的方案 去实现高频高功率密度的这个交流电感设计 那么德州仪器这个 UCC28780跟 UCC24612 这个方案是非常适合于这个设计 这个高功率密度的这个电源应用的场合 那么最后就是一些设计上的建议提供给大家 那么非常感谢你花出时间来观看这个视频 如果有问题请联系我们的这个销售端的代表 或者是可以联系到我这边 谢谢

大家好

接下来给大家介绍德州仪器

实现高功率密度 ACDC 的方案

从这里你可以了解到

有源钳位反激的这个工作原理

以及德州仪器的这个解决方案的

主要特点以及功能

那么 最后呢

会了解这个设计这个有源钳位的时候

需要重点考量的地方

那么相关的器件有 UCC28780 UCC24612

那么所针对的应用就是

高功率密度的电源适配器和充电器

USB PD 或者是其它设备的

AC/DC DC/DC的辅助电源

对 AC/DC 电源来说

最重要的指标主要是

要有高的这个效率

低的待机损耗以及高的功率密度

对 EPS 电源现有规范

不但要求这个满载时候的效率要高

而且要求百分之七十五载

百分之五十载百分之二十五载的时候效率也要高

那么通常是以这个这四个点的

平均效率作为要求的

那么这边列出了不同输出

额定输出功率下 DOE 跟 COC 这个的

四个点的平均效率的这个曲线图

那么对于 COC 来说

它不但要求这个带二十五载的

这个效率要高

而且还要求这个百分之十载的时候

这个效率也要高

不同的规范对待机损耗的要求不一样

这边以 ErP DOE 跟 COC

这个的规范要求为例

那么对功率小于两百五十瓦的

这个终端设备 COC 的这个要求是最严的

那么对功率大于这个两百五十瓦

那只要是 DOE 对这个规范待机损耗有要求

那么除了这个规范要求的待机损耗以外

那么一些客户还有特别的要求

例如一些手机充电器的客户

它们要求这个待机损耗要小于 30mW

甚至更低

为了满足这个 DOE 跟 COC

对效率以及待机损耗的要求

那么 IC 的设计上需要做一些非常多的考量

根据研究目前市场上供货量排名前十的

这个笔记本电脑厂商

它们这个笔记本电脑适配器的功率

主要集中在四十五瓦和六十五瓦

那么在这个功率等级内 QR 或者 DCM Flyback

是主要的这个选择的一个方案

以目前市场上能买得到的

这个六十五瓦的电脑适配器为例

那么功率密度是越来越高

那么这是去年刚推出的

这个六十五瓦的这个电脑适配器

它的功率密度高达二十一瓦

那么这个方案呢

它选择的方案就是传统的临界模式的 Flyback

加无源钳位的这个方案

那么它最高在九十伏的时候

效率就是达到九十伏 百分之九十

那么它能满足 DOE 跟 COC 的要求

而且能够支持 USB PD

那么如果采用 TI 的方案

我们可以达到这个二十四瓦

我们可以达到二十瓦

如果是没有带壳的话可以达到三十九瓦

那么我们的方案采用的是这个

临界模式的 Flyback 加有源钳位的这种方案

那么这个在驱动跟 GaN 一起配合的话

效率在九十伏的时候可以达到九十三点四

那么当然也能满 DOE 跟 COC

而且能够支持 USB PD

为什么有源钳位的临界连续模式的 Flyback

它的效率会更高呢

我们先来看一下这种无源钳位的

临界连续模式的反激

那么它漏感上储存的能量

它是通过钳位电路给损耗掉

这个损耗的功率可以用这个公式来计算

它跟开关频率是成正比的

那么另外一个呢开关损耗

也就是这个下管上寄生电容上储存的能量

它产生的损耗跟开关也是成正比的

那么这两个开关损耗随着开关频率的增大

它所占的比重就会增加

那么这样就意味着

你这种无源钳位的临界连续的反激

那么它的开关频率不能设的太高

否则的话效率就会变得很低

而有源钳位的临界连续的反激

那么它工作的时候漏感上的能量

在下管关断上管开通的时候

它是跟谐振电容产生振荡

那么这个振荡在这个下半周

它是把这个能量传到输出的

同时呢

由于上管开通的时候

也就这段时间内开通的时候

那么这个谐振电容上的电压

是一直加到了激磁电感上

那么就会使激磁电感从峰值一直掉到了负值

那么这个电压一直掉到负值的时候

那么当这个上管关断的时候

那么这个负值的电流会把这个

存在这个电容上的能量就给它抽出来

然后反送到输入端

那么在这个时候 VDS 电压

就会从最高电压掉到了零

那么这时候开通这个下管

那么就可以实现软开关

那么实现软开关的话

那么就可以使这个整个这个开关损耗

跟这个漏感的损耗是无损的

那么这样的话就可以使它这个效率变得更高

那么这样的工作开关频率可以提的更高

那么要实现这个软开关的话

当然要求这个负的电流产生的能量

那么要大于这个电容上储存的能量

这边对比一下有源钳位跟无源钳位的反激

那么它的这个损耗的这个对比

我们可以看出来就是说有源钳位的反激

那么它这个钳位的能量损耗是基本上是零

它是无损的

那么开通损耗是软开关

所以它也是损耗也等于零

但是呢就是说要实现这个软开关

我们所需要代入这个负的电流

那么这个负的电流

就激磁电感引入负的电流

那么激磁电感是负的电流的话

就使这个变压器上这个电流的峰峰值变大

那么峰峰值变大那就意味着磁通的变化率变大

那么这样带来的效果就是磁芯损耗会增大

那么另外一个这个负的电流使整个

流过电感原边绕组的电流的有效值变大

那么从而使绕组的铜损变大

所以说 在这个有源钳位

它虽然说基本上钳位损耗跟开关损耗等于零

但是它也引入了更大的磁芯损耗跟绕组损耗

所以在这边要做一个优化

那么所有的设计就是怎样去优化设计

这个负的电流变得非常的重要

接下来简单介绍一下有源钳位反激的工作过程

那么它一个开关周期主要从七个步骤来看

那么第一个部分那就是它原边下管开通

那么这时候输入能量储存在激磁电感上

那么这个工作就是跟传统的

峰值电流控制的反激是一样的

那么当它这个输入激磁电感电流

碰到了这个检测的 threshold 的话下管就关掉

那么当下管关掉的时候

那么激磁电感的电流就会

一方面对下管上的这个寄生电容进行充电

一方面对上管的寄生电容就会进行放电

同时呢会有能量在可能是电流转换到这个输出

那么在这个过程中

Vsw 这个电压再上升上去

那么直到 clamp 的这个值

第三个阶段就是

当 Vsw 上升到大于 Vin 加 Vclamp 的时候

那么体二极管就会导通

那体二极管导通的时候

这时候开通这个上管

那么这样上管就实现了零电压开通

那么同时呢

这时候漏感的能量在这个方向

就是转换到了谐振电容上

在这个第三阶段跟这个第四阶段

那么实际上这时候有部分的这个能量

已经通过变压器从次级绕组传输到输出负载

那么从这边看的话就是副边的电流

实际上就是激磁电流减去这个谐振电流

那我们看这个第五个阶段

那我们从这边来看的话就是

这时候这个谐振电容上这个能量

反过来这个对这个谐振到这个漏感上

那么在这个过程中实际上这个

谐振的能量是通过变压器传输到了输出

从而把这个能量传输出去

那么在下一个这个阶段的话

就第六个阶段的话

那就这时候副边的电流已经过零了

副边电流过零那么这边就断开

那这时候但是呢

谐振电容上的这个能量继续对这个激磁电感

继续加到激磁电感上

那么使激磁电感的电流继续的往负的走

当激磁电感往负的走了到一定的时候

这时候关断这个上管

那么这时候这个电流就会

由于这个电流是反方向

那么就会把这个储存在这个下管上的

这个寄生电容上能量把它抽走

那么实际上是反馈到了输入端

那么这个过程就是会使

这个 Vds 电压开始降低

当 Vds 电压小到体二极管导通的时候

这时候去开通下一个从这里

那么就可以实现了这个软开关

这样子的话就完成了

一个开关周期的这个工作过程

当然刚才也提到这个要实现这个软开关

还是要满足这个条件的

接下来介绍 TI 实现高功率密度的方案

那么原边这个控制也是 UCC28780

它是有源钳位反激的控制器

那么副边是 UCC24612

它是基于Vds 检测的同步整流控制器

那么它的外围控制非常简单

那么 UCC28780 跟 UCC24612

这两个都可以支持高达 1MHz 的开关频率

UCC28780 它是通过光耦来精准的调节输出电压

那么它可以支持 super junction 的 MOSFET

或者是硅的 MOSFET

也可以支持这个 GaN 的 MOSFET

那么支持硅的 MOSFET 的时候

它需要外加一个外置的 MOSFET 驱动器

那么如果是 GaN FET 的话

通常来说它会把驱动跟 FET 集成在一起

那么就不需要多加一个器件

那么除此以外

UCC28780 还需要一个外置的

高压启动 MOS 来实现这个高压的启动

那么同时使这个待机的损耗变得更低

首先我们介绍副边同步整流控制器 UCC24612

那么它是这个 IC 封装是 SOT 23

那么它的这个 pin 脚有五个 pin 脚

那么外围电路非常简单

它既可以做低侧也可以做高侧

那么它的检测是基于 Vds 检测

那么 Vds 的电压高达两百三十伏

那么它在这个整个控制的时候

它可以支持 QR 或者 DCM

它也可以支持 CCM

那么因为它这个工作的时候

它这个关断的速度非常的快

那么同时呢 它在这个电流的时候

它在这个电流比较小的时候

它可以实现这个驱动电压的这个调节

那么使它在关断的时候速度更快

那么对这个 VCC 供电的话

它可以高达二十八伏

那么最小的供电电压是二十四点二伏

那么还能维持它工作

那么这个 IC 可以支持

高达 1MHz 的开关频率

那么它有两个这个型号

一个是 UCC24612-1

一个是 UCC24612-2

那么它这个两个版本的

这个内部的延迟时间不一样

那么使它们根据不同的这个器件

或者应用那么选择

那么通常来说 UCC24612-2 的话

更适合用于硅 MOS 的有源钳位反激电路

那么或者是 LLC 控制器

基于 Vds 检测的这个同步整流控制器

工作原理还是比较简单的

那么当检测到 Vds 的电压

小于一个电压阈值的话

那么它这时候就开通这个同步整流 MOS

那么由于开通同步整流 MOS 以后

它这个相当于一个电阻

那么这时候 Vds 的电流就会变成了

跟这个输出电流的波形是一样

那么慢慢减少

或者是慢慢增大

反向慢慢增大

当这个电压大于这个关断这个阈值电压的话

那么这时候就把这个同步整流关掉

那么在这小段时间内工作的

是由这个体二极管在导通

那么这种方式的话

假设我不同的 MOS 管导通电阻的话

那么这个带来就是说

关断的时候电流点会不一样

也就是说如果是导通电阻大的话

那我可能会在这边更小的地方关断

那么导通电阻小的话

它可能在更大的这个电流这个地方就关掉

那么这样带来的这个效率上的损失

减小这个体二极管导通的时间

有利于减少这个同步整流这个损耗

从而提高这个效率

那么这一方面就是要减小开通的时候的延时

同时呢 要使这个同步整流关断的时候

在尽量小的这个电流下才去关断

所以这个对传统的反激来说

这个关断的这个延迟要尽量短

那么如果你在电流接近零的时候你才去关断

那么由于这个关断延迟的影响

那么有可能会有这个原边 MOS

跟这个副边同步整流同时开通的这种风险

那么会带来短路的风险

那么这种情况下是要避免的

那么解决的办法就是通过调节 Gate 的电压

也就是当我这个电流小到一定值的时候

然后调节 Gate 电压

使这个 MOS 工作在一个线性的一个区

那么目的是指这个就是我调节

使 Vds 电压维持在一个比较小的一个值

那么这样延长导通时间

当这个电流小到一定值的时候 关断的时候

Gate 电压已经调了很小

那么当它关断的时候

这个从小的电压关断下来

那么速度就很快

这种工作方式也有利于

就说让这个 IC 去实现 CCM 的工作

有源钳位反激的这个方案

那么对同步整流有一些特别的要求

首先呢

流过副边同步整流的电流接近一个正弦波

那么这种波形的话对这个调节 Gate

这种方式会有一些特别的要求

那么另外呢就是

如果是原边要用 GaN 或者硅的这个 MOSFET

那么它这个副边同步整流电流也有一定差异

那么用 GaN 这种 ACF 的话

那么它同步整流的波形

更接近于传统这种 Flyback

但是如果是用硅的 FET 的话

那么它副边同步整流更接近于 LLC

那实际上还增加了一个前端的这个 spike

那么除此以外

如果由于这个开关频率要工作到很宽

然后有很高的开关频率

那么所以它这个 blanking 时间设计要合理

那么通常你要采用一些 adaptive

自适应调节的 blanking 时间的一个方式

首先来看一下有源钳位反激怎样去解决

Gate 电压调节的这种问题

那么我们看由于它副边电流是一个正弦波

那么一开始的时候电流就很小

那么如果没有做特殊的处理

那么 Gate 电压调节就会触发

在这个电流很小的时候

就会触发 Gate 电压调节

那有可能 Gate 电压从这边就开始往下调

那么这样的话会使整个导通的时候电阻比较大

导通的这个损耗就会比较大

那么我们解决办法就是说我们会去做检测

每个周期

上个周期导通的这个时间

同步整流 MOS 导通的时间

然后下次周期的时候我会去

Gate 调节一定会在一半的时间以后才开始

才使它去调节

也就是说在这个电流正弦波后半周的时候

才可以使它去实现 Gate 调节

那么这样使它就避免了刚才出现的

提前把这个 Gate 调下去的这个问题

接下来我们看一下这个

用 GaN FET 跟用硅 MOSFET 的

同步整流这个副边同步整流这个电流的差异

这边绿色的这个曲线是这个

流过副边同步整流的电流

那么这个图显示的是用硅的版本

那我们可以看用硅版本的 MOSFET

副边电流一开始有个 spike 尖峰

然后一段延迟以后

然后才会产生一个接近正弦波波形

那么这是硅版本的 MOSFET

副边同步整流的电流

那么看这个是用 GaN FET

原边用 GaN FET 的情况

那么这个电流更接近于一个传统的 Flyback

也就是一开始的时候电流就冲的很高

然后再慢慢掉下来

掉下来以后在这边再接近于一个正弦波

正弦波一个方式

那么是什么原因导致这个有差别呢

我们看一下就是说主要原因

就是说这个用硅版本的 MOSFET

它这个寄生电容呢

这个等效输出电容它是非线性的

也就是说当电压比较高的时候

它的电容很小

当电压比较低的时候

那么电容较大

那么当这个管子在做切换的时候

就下管关断的时候上管开通的时候

这个电流切换的时候啊

从副边同步整流等效到原边同步整流的电容

实际上就会在跟这个原边上管电流

寄生电容值会有变化

也就是说当在这个一开始的时候它这个

上管上电容比反馈回来这个等效电容会小

而当过一段时间以后会使它

上管上等效电容比反馈回来这个电容大

那么导致的是什么原因呢

就是这个有个电流

原边电压有压差在这个漏感上

那么漏感上会导致一开始电流冲上去以后

有一个往回降到零的过程

那么这样就产生一个峰值

如果原边用 GaN FET 的话

那么从副边同步整流寄生电容

等效到原边的电容永远都是大于

这个上管用 GaN 的寄生的电容

那么这时候从电压上来看的话

就是叠加到漏感上的电压永远都是为正

那么这边就产生一个很高的电流冲上去

使它是上升的一个电流也不会掉下来

那么这就带来一个区别

TI 的同步整流方案 UCC24612 有两个版本

一个版本是 UCC24612-1

那么这个版本是用来支持 GaN

就是原边用 GaN FET 这种应用

那么它的差别就是它开通的时候延迟时间比较短

另外一个版本是 UCC24612-2

那么它的延迟时间更长一点

那么用来支持这个硅版本的 MOSFET

那么在这个同步整流这个开通关断的时候

实际上这个开通的时候它有可能

由于寄生电容电感的增大影响会产生一些振荡

那么这个振荡电压有可能会触发这个

在开通的瞬间又把它触发关断掉

那么这时候 所以有效方法就是

要加一个开通的 blanking 时间

也就是通常来说就是

我们叫 minimum on time

那么同样这个关断的时候

那么也就是说工作在 DCM 的时候

这个时候它这个 DCM 这个状态下

会可能出现一个就是说次边的振荡

就是原边的激磁电感跟寄生电容的振荡

那么振荡可能在过零的时候

可能使这个 VDS 电压

如果小于这个开通的时间的话

开通的电压的话

那么就会出现这个误触发开通

所以在这个关断的时候又会加一个

最小的 blanking 时间

或者叫最小的 minimum off time

由于这个现在这种控制器为了满足轻载时候

它可能会工作在多种模式下

同时呢开关频率可能要工作在很高的开关频率

所以这个就对关断的 blanking 时间带来很大的影响

那么就这个设计的时候

或者 minimum off time 这个设计的时候

要考量的就比较多

那么我们的同步整流倾向于

有四个东西组成的这个最小的 off time

或者是关断的 blanking time

那么第一个就是说如果你这个

有一个最小的值就是三百五十纳秒

第二个的话就是有一个最大的值

那么在这个之间呢我们会有 会做一个

就是说正常情况下会在工作的时候

百分之七十的上一次的 off time

百分七十左右的 blanking time

那么另外一个就是我们如果在检测到

这个有 DCM ring 的时候

那么它这个整个 ring cycle

我们可以检测到以后

以这个二点二倍的这个 ring

作为这个 blanking time

同步整流通常可以放在低侧

那么这样的好处就是说

它这供电可以直接从输出供电

当然这种方式如果对输出电压很高的情况下

那么就不合适

因为这样带来同步整流 IC 的驱动损耗太大

那么这样的情况你可以采用这个

加一个辅助 Winding 的方式来供电

那么这种应用例如这种 USB-PD

那么它输出电压范围很宽的时候

就用辅助 Winding

那么可以带来变低的损耗

当然

其实我们是建议把这个同步整流放在高侧

这样的好处就是放在高侧的话

那么就有机会通过这个变压器

来实现这个共模噪声的抵消

因为放在高侧的时候

这时候它产生的噪声是跟

原边产生的噪声是相互抵消的

那么高侧的时候

它这个供电比较麻烦

通常需要加一个辅助的 Winding 来供电

那么如果不加辅助 Winding 的话

也是可以通过这个 charge pump 这种方式供电

那么charge pump 就是你当这个 MOS 管关断的时候

然后通过 Winding 电压对这个电容进行充电

当它导通的时候就没有这个能量去充电

但是这种方式的话跟这个要求之后这个关断

这个 MOS 关断的时间也就原边开通的时间要比较短

比较长一点 足够长的时间

否则的话这有可能会让这个电压的

供电电压的变化范围太大

那么还有一种当然是你也可以加一个 LDO 线性的

就是分立元器件组成的 LDO 来实现供电

那么这边做一下这个总结

首先就是说 VDS 检测这种方式

是非常简单可靠的一个同步整流控制方案

那么为了使这个 MOS 管导通的时间尽量长

那么以及这个关断的时候速度更快一点

那么 Gate 电压调节这种方式

会有利于实现这些功能的要求

再一个就是说对有源钳位的反激

那么它这个对同步整流有一些特殊的要求

那么第一个就是因为它这个电流

是一个接近于正弦波的这种电流

那么第二个如果是用硅版本的 MOSFET 的话

那么会常出现一个 Leading 的电流 spike

那么当然第三个就是它对这么高的频率范围

频率范围的变化非常宽

那么所以对 blanking time 有一些要求

那么我们德州仪器新推出的

同步整流驱动器 UCC24612

非常好的能满足有源钳位反激同步整流的应用

接下来介绍德州仪器有源钳位反激的

控制芯片 UCC28780

那么它有两个封装

一个是 SOIC 一个是 QFN

那么它的 pin 脚是十六个 pin

那么这个 IC 最大特点

一是它可以支持高达 1MHz 的开关频率

那么第二个呢

它在很大的负载范围内都可以实现零电压开通

第三个呢它工作模式会出现多模式的一个控制

使它实现最好的轻载效率

那么这两个有利于使它实现

DOE 跟 COC 效率规范的要求

那么同时呢它由于带有高压启机的驱动电路

所以呢它可以使待机损耗小到 75mW

另外一个就是说这个驱动芯片

可以支持原边用这个 GaN FET

也可以支持用 super junction

或者硅的 MOSFET

那么另外它的保护上它有个 OPP

那么它 OPP 可以引入前馈

使它整个 OPP 在宽范围的输入电压下

它都能达到比较一致的 OPP 功率值

那么这边是这个 IC 的

整个 pin 脚的分布以及功能方框图

那么它的 pin 脚

从功能上来看的话可以分为四个部分

一个是这个供电的部分 IC 供电的部分

一个是信号采样的部分

那么一个是 Gate 的输出的部分

还有一个是编程的部分

那么供电的部分有四个pin

一个是 VDD

VDD 就是给整个 IC 供电的一个 pin 脚

那么另外一个是参考 reference pin

那么它是 5V 输出电压的一个 pin

那么外围电路只需要加一个小电容就可以了

那么 HVG pin 实际上是来

控制外部高压启动 MOS 的一个驱动脚

那么再一个是 GND

就是地的一个脚 GND 的脚

那么 Sense 就说采样的信号

那么主要有五个 pin 脚

那么首先来个就是 VS pin 来检测

输入电压跟输出电压

可以做一些保护 输入保护

那么 CS pin 是来检测原边 MOS 管的电流

那么也就是做一个峰值的控制

那么当然做过流过功率的保护

那么 FB pin 就是一个电压反馈环信号的 pin 脚

所以呢通过这个 pin 脚来调节输出电压

那么这三个 pin 脚基本上大家都会有

那么有一个 SWS pin

SWS pin 是连接高压启机的一个 pin 脚

那么同时它又作为一个就说

我们 GVS 检测的一个 pin 脚

除此以外 还有一个过温保护

就是我们有个 NTC pin 脚

那么可以做过温保护

也可以作为一个 disabled IC 的一个 pin 脚

那么输出 pin 脚有三个 pin 脚

主要是低侧 Gate driver

那么高侧 Gate driver

那么还有一个 enable pin 叫 RUN pin

它可以

这个 pin 脚可以有利于

就是说 IC 去驱动我们 Gate driver 的一个 IC

那么使它开通关断

那么特别是在轻载的时候

有利于改进它减少轻载的损耗

在接下来就是说一些编程的 pin 脚

编程的 pin 脚主要有四个

那么 SET pin 就说它连接到 REF pin

或者连接到地的话

它可以支持不同的这个类型的 MOSFET

例如接到这个参考值就是接到 5V 的话

它是支持 super junction 的 FET

如果是连接到地的话

就支持 GaN FET

那么 BUR pin 主要是设定就是说

我进入 burst 原边电流的峰值的这个值

那么如果我原边的电流小到

峰值小到这个值的时候它就会进入 burst

ART pin 是用来设定这个最小的就是

从上管关断到下管开通的死区时间的一个值

那么 RDM pin 呢

实际上是来设定这个就是上管开通的这个时间

就是我们设定一个最小的这个

或者是一个初始的一个上管开通的时间

也就是 DeMagnetization 这个时间

接下来我们来介绍一下

这个 IC 的这个启机的一个时序

那么主要分为两个部分

一个是 IC 从供电到开始工作

以及开始工作以后软起的一个过程

那么当这个电源供电的时候

那么 IC 的供电是通过一个

高压启动的这个电路

那么用 HVG pin 来控制

这个高压启动的 MOS 工作

以及 SW 会提供这个充电的一个回路

SW 提供这个就是 VDD 充电的回路

那么刚启机的时候

这个是个耗尽型的这个 MOSFET

那么它又是个高压的 MOSFET

那么由于它这个上面耗尽型的 MOSFET

电压等于零的情况下它这个会导通

会就光一个导通

那么这个电压都会加到了

在这个电阻上就会产生一个电流对 VDD 充电

那么一开始这个两个 MOS 管

就是这个管子跟这个管子是开通的

那也就是说 VDD 的电压

跟 HVG 的电压是同时上升的

而且是基本上接近相等

那么当 VDD 电压小于这个 1V 的时候

这个充电的这个电流是比较小的

那么当 VDD 电压大于 1V 的时候

这个充电用更大的电流充电

那么 VDD 充电时间就很快速度很快

那么这样做的目的是

防止 VDD 短路的时候

那么过大的充电电流

使这个 IC 损耗太大或者是过热

那么当 VDD 的电压充到十七点五伏的时候

那么这个就会把这个关掉

那么同时呢 在这个过程中

会把这个 enable 这个 5V reference 输入电压

那么这个里面 LDO 会在这个电容上

会产生这个 reference 并产生 5V 的电压

建立5V 的电压

那么同时呢会把这个开关跟这个开关关断掉

关断掉的话会把这个开关开通

那么这里面会有一个电流

对这个 HVG 电压进行放电

那么 HVG 放电的过程中

就会使这一点 QS 这一点电压有偏差

那么这样电压的偏差就会使 Gate 关断掉

就会使 MOS 管关断掉

那么这个关断过程

当这个电压掉到了 11V 的时候

这个 IC RUN pin 就开始 enable

也就开始可以输出 可以工作

那么当真正的 Gate

上下管 Gate 开通的时间会有个延迟

就是大概 2.2 微秒的延迟以后

那么这 IC 才开始工作

那么 IC 提供这个 Gate 输出的情况下

一开始这个会处于这个软起的状态

那么软起的状态是怎么做的呢

就是一开始这个我的这个原边电流的峰值

会设定到比较小

也就用一个比较小的峰值电流去充电

那么接下来会把它就充到一段时间以后

就把换成 0.6V 充电

那么最终会通过环路控制就会使它自动

一开始启机的时候工作在一个

比较大的一个电流上

那么这样防止一个电流的一个电压过冲

或者是这个噪声过冲电流太大了一个情况

那么 IC 正常工作的时候怎样去实现软开关呢

那么我们 UCC28780 采用的是自适应调节软开关

那么这样有利于解决不同这个参数

对这个实现软开关的影响

例如有个激磁电感

它的这个 tolerance 是非常大

那么会影响整个软开关

那么 自适应的调节是怎样实现的

也就是我们从上管到下管

上管关断到下管开通之前

我们会有一个设定一个固定的死区时间

那么这个固定的死区时间之内

我们去判断这个 VDS 上的电压是否过零

如果没过零那么我们就说明

这个前面这个周期负的电流太小了

那么没有足够能量把 VDS 拉低实现软开关

那么下一个周期我们会把上管开通的时间变长

使这个负的电流增大

那么在下个周期上管关断的时候就会使

这个有足够大的负电流实现这个软开关

那么这样调节过程就是一个自适应的调节过程

那么跟这个其它这个电感

或者是这个 MOS 管寄生电容参数的影响没有关系

因为它是实时检测的

那么对上管来说

我们刚才讲的上管实际上它在开通的过程当中

实际上只要我留够足够大的死区时间的话

它就有足够的这个

由于它这个关断的时候

这个电感电流峰值很大

所以它很容易就实现软开关

那么这边大家可以看一下就是说

自适应的这个软开关控制

它实际上在启机的时候状态很慢

它很快 你看启机的时候它很快就进入

就从这个硬开关就调节到

自动调节到这个软开关的工作

那这边的波形显示就是在稳定工作状态情况下

每一个周期之间都实现了这个软开关开通

这边电压已经到零的时候它上管才开通

下管才开通

为了使这个

为了实现更好的轻载效率

那么这个 UCC28780实际上工作在

多模式的一种状态下

那我们有四种工作模式

第一种叫调幅的模式

那么第二个就是自适应 burst 模式

那么还有一个低功率模式跟待机模式

那么这四个模式就是说当载比较重的时候

它工作在这个 AAM mode

也就是调幅模式

峰值调幅的模式

那么这调幅模式就是当负载比较重的时候

调节原边的 MOS 管上的电流峰值是最大的

当负载减小的时候

它就可以把峰值的电流慢慢减小

那么当这个负载减小到一定程度的时候

就是说原边峰值会减小到我们这个设定的

这个 burst 模式的峰值点

那这时候就会进入 burst 模式的工作状态

那么在这期间

在 AAM 工作期间

任何情况下都能实现这个 GVS 开通

也就是零电压开通

所以它整个效率非常高

那么应该再讲

我们说这个整个工作方式

它因为在这个 AAM

它是基于一个临界电流连续的模式

所以呢当这个原边这个峰值减少的时候

那么这边对应的开关频率就会慢慢增大

那么在这一点增大到 burst 的时候

这时候进入的这个工作会维持这个

在 ABM 下会维持这个峰值为 burst 模式峰值

然后呢 我们继续这种状态下

而且会维持它的开关频率就会维持在

进入 burst 之前的这个开关频率

那么这样做的好处

就是在整个 ABM 的时候

当它工作的时候

都是工作在这个最高的一个开关效率下

那么在这个 ABM 工作中

它随着负载变化它会去调节每次 burst 时候

开通这个整个工作周期的个数

那么我们可能从一开始九个周期到八个周期

那么慢慢会减少到两个周期

那么这个调节的过程中

自适应的去调节这个 burst on 的时候

这个开关周期

那么目的是调节使这个 burst 这个频率

维持在 25k 到 33k 之间变化

那么这样在这个工作过程中

效率得到了非常高的效率

那么同时呢在这维持的这个在 burst on的时候

它想要实现软开关

所以这整个在 ABM 跟 AAM 的时候

这个整个开关的这个效率非常高

同时呢 由于它工作的频率很高

而且 burst 的频率大于 20k

所以不会出现这个噪声的问题

那么如果这个负载继续减小

那么我每次工作的时候只有两个开关周期

那么如果你负载继续减小的话

那么可能储存的能量会过多

为了维持这个 burst 频率大于 25k

那么必须把这个原边这个电流峰值继续减小

那么继续减小到一定程度的时候

我们减小到我们这个设定的

就是内部最小的峰值电流的时候

那么它就会使 burst 频率继续降低

那么这个峰值电流就是 0.25V 这个一个峰值

是由 IC 内部已经定好了的一个参数

那么用这个整个的四个工作模式

使它从满载到轻载的时候

都能实现非常好的效率

我们特别要说明一下

就是在 LPM 跟 STBYPM 的时候

这时候 PFC 是工作在一个传统 PFC 工作状态

而不是工作在 ACF 状态

也就是说这时候上管是被 disabled

上管的 MOSFET 是被工作 disabled 状态下

那么这样的好处是减小驱动损耗

就是上管开通关断的时候这个驱动损耗

这边用这个图来说明四个工作模式的一个状态

那么在 AAM 的时候

这个激磁电感的电流是临界连续的

那么当这个负载减小的时候

这个有没有这个电感的峰值会减小

那么峰值减小那么它就会使它开关频率增大

那么在 ABM 的时候

这时候会 burst 的时候

这个电流的峰值是固定不变的

就是它进入我们设定的这个 burst 的这个值

那么通过调节这个就是工作时候的这个

就是用 RUN pin 来控制这个 on off

就是 burst on 跟 burst off

那么当 RUN pin 为高的时候

那么这时候 burst 开始工作

那么这时候 burst 工作的周期数由负载决定

也就是我负载大的时候我多出几个脉冲

负载小的时候少出几个脉冲

那么维持它这个 burst 频率在 25k 到 33k 之间

那么 LPM 的时候

这时候呢我电流峰值就会慢慢减少

维持这个就说 high 的时候

这个工作的周期是两个周期

那么这两个周期之内

我这个电流峰值是慢慢减小

那么使它这个 burst 频率维持到 25k 以上

那么在 STBYPMP 模式的时候

这个电流峰值继续就是说

会维持在我最小的这个峰值

那么最小峰值

那么同时是工作在两个开关周期内

那么这时候如果你再多的话

它再继续减少的话

那么它这个提供能量过多

那么就会使这个 burst 频率小于 25k

那么在这边我们就不做一个限制

虽然说这时候开关频率小于 25k

会带来这个可能会进入这个听得到

这个噪声的这个频率范围

但是呢 因为它这个电流峰值非常小

那么它能量非常小

所以呢产生的噪声能量强度不够

那么就不会带来噪声让人听得到这个噪声

UCC28780会提供非常丰富的保护

那么除了这个 VDD 的开通与关断以外

那么还有这个 CS pin 提供的这个过功率保护

峰值电流保护过流保护以及短路保护

那么在短路保护的时候

它实际上是组合了这个 CS pin 的电流的信息

以及 VS pin 这个输出电压的信息

那么就是说通过检测这个 CS 跟 VS pin 的电压

然后来知道判断这个输出短路保护

再一个就是通过 VS pin 可以检测

这个输入的电压跟输出电压

来实现过压保护跟 Brown-in Brown-out 保护

那么除此以外就是一个 NTC pin

那么 NTC pin 可以做一个过温的保护

或者是通过外部信号

来做一个关断 IC 的一个保护

那么除了这些通过外部脚

检测信号来达到保护以外

那么 IC 本身的这个 pin 脚的开通

这个断路或者是短路

那么都会有对应的保护

那么这样的话

整个 IC 工作的可靠性是非常高的。

那我们看怎样用这个 VS pin

来做这个 Brown-in/out 跟输出 OVP 的保护

那我们知道这个 VS pin

它是可以去采样辅助 Winding 的这个信号

那么当这个辅助 Winding 这个

就是 MOS 管开通的时候

当原边 MOS 管下管开通的时候

那么这边检测信号就是就这个

辅助 Winding 的输出变化

就是跟原边输入电压成正比

那么通过这个是上面为负下面为正

那么就会产生从输入这边就会产生一个电流

那么这个电流大小就跟输入电压的大小成正比

那么通过这个电压来设定

我什么时候这个 IC 是开通的

什么时候 IC 是关断的

OK 那么再一个如果是原边 MOS 关断的时候

副边二极管或者副边这个 MOS 开通的时候

那么这时候这个辅助 Winding 上面电压是上正下负

而且是跟这个输出电压成正比

那么通过这个分压电阻来分压

来实现检测这个输出电压

那么当这个检测到电压大于 4.5V 的时候

那么我们就会进入 OVP 的保护

那么 Brown-in 跟 Brown-out

都是只要检测到三个周期或者四个工作周期的话

就会出现这个

就可以起到保护

那么如果 Brown-out 的话

那么要检测到它这个

检测时间大于六十个毫秒以后

那么才会进入保护的一个时序

UCC28780 提供了多层次的这个过流过功率保护

那么首先我们看就是说

如果你这个输出的原边

就是 MOS 管的这个电压

就是 CS pin 的电压峰值

如果大于这个 OCP 的参考值

通常是大于就是 1.2V 的时候

那么只要检查到有三个周期

持续三个周期大于 1.2V

那么这个时候就会触动这个过流保护

那么过流保护的工作功能就是这时候关断 IC

那么要等到1.5秒以后重新再开启

那么这是最高就是最快的一个关断的速度

那么第二个层次就是峰值电流限制保护

那么这个保护就是如果你这个检测到

CS pin的电压大于这个0.8V

那么时序时间是 160 纳秒的话

那么就会把这个 Gate 关断 IC 关断

disable 掉

那么 disable 掉以后它要等到这个另外一个时序时间

就是等到 1.5 秒以后才能重新开启

那么这是第二个层次的保护

第三个层次就是过功率保护

也就是说过功率保护就是当我这个

CS pin 的电压大于这个 0.6V

然后呢这个持续时间 160 个微秒的话

那么这时候它就会起到保护把 Gate 关掉

那么让它这个时序的这个开关这个

在 1.5 秒以后才重新开始

那么这个过功率保护

因为这个在输入电压不同的情况下

这个因素影响这个保护的功率

例如 如果你在 low line 是 0.6

那么在 high line 还是 0.6

那么这时候 high line 整个的这个功率就会

过功率的保护功率就会不一致

可能会变得更大

那么所以呢通常我们这边引入了这个前馈

也就是通过这个 VS pin 检测的这个电压

来调节这个 OPP 这个峰值电流的这个值

那么就是随着这个

也就是说我们这个 OPP 的这个 threshold

会随着这个输入电压的增大而变小

那么这样的好处从外边来看就是

这是个 45 瓦的应用

那么这个从 90V 到这个265V

整个输入的这个 OPP 的这个峰值

大概维持在接近比较小的一个范围内

那么这样的话可以有效的起到这个过功率保护

那么再一个就是

我们讲了 NTC pin

也就是 OTP pin

那么这主要是作为一个过温保护

我们这边就是在这个 NTC pin 上

内部会流出一个一百微安的电流

那么这个一百微安的电流

如果在这个外面接个电阻的话会产生一个电压

那么这个电压如果是小于这个 1V 的话

那么就会使这个把这个关掉

就是这个 IC 关掉

那么要这个 IC 恢复的话

一定要使这个外接的这个电压要

或者是电压要上升到这个 2V 左右

那么这样子的话

才能使它这个 IC 重新恢复工作

那么这就相当于就等于说

我外面加一个 NTC 的电阻

那么当这个 NTC 电阻过温的时候

NTC 电阻比较小

那么它就会开始工作

那么当这个不工作的时候

那么这个 NTC 电阻温度慢慢降下来的时候

再重新让它工作

设计这个有源钳位反激的时候

当然大家可能或者是 AC/DC 电源的时候

那么重点可能大家还是关注怎样去提升效率

那么当然也会考虑一些

例如怎样实现小的噪声小的纹波

那么同时还要解决 EMI 问题

那么接下来介绍一下

设计 UCC28780 的时候一些小的这个提示

首先我们介绍如何设定这个合理的

这个死区时间来实现这个软开关

那么我们这边看一下

如果你这个死区时间太大的话

那么也就是我用一个很小的激磁电感的负电流

就可以实现软开关

而且呢这时候有可能使这个软开关过零以后

这个电压有反馈振荡出来

那么也就这时候那个电流峰值就可能变得过大

那么过大这个就会失去软开关的作用

那么如果这个上管到下管

这个死区的时间太小的话

那也意味着就是你要去自动调节

把这个增大这个负的电流这个值

来使它实现软开通

那么负的电流越大的话

那么带来的坏处就是它这个导通的损耗会增大

那么它的死区损耗也会增大

那么这种在这个轻载的时候就变得更加恶劣

那么怎样去设计合理的这个死区时间呢

这边有一个公式

这个公式就是一个理想的一个最小的死区时间

那么它主要由三个部分组成

一个部分的时间就是

刚才讲的 Gate 关断的延迟的这个时间

Gate 内部关断的延迟时间

第二个部分就是说

从这个输出反馈电压到输入电压这之间的时候

这段时间所需要的时间

那么第三个就是四分之一的谐振

就是激磁电感跟原边寄生电容谐振的

四分之一周期的一个时间

那么为什么要设定这个时间

实际上这个时间有利于

就是说我在 Low Line 时候

就能够用很小的这个负电流就可以

使它实现自动的软开关开通

那么这样就有利于去减小负的电流

就是激磁电感的负电流

那么一旦这个时间预估出来以后

我们可以用这个公式去算这个电阻

去预设定这个电阻

那么在实际过工作的时候

还可以去通过调节这个电阻来调节这个死区

从而优化这个效率

那么接下来我们讲这个怎样去设定

这个记录 burst 这个点来提高这个效率

那么同时会介绍一下

就是说从 ABM 到 LPM 的时候

怎样设定它的这个滞环

使它不会出现一个噪声的问题

我们先看一下这个效率

就是用硅 MOSFET 跟 GaN MOSFET

在轻载时候这个效率的变化

那么这边以 30 瓦这个管作为例子

那么我们发觉说用硅版本在高压的时候

高压输入的时候

它这个在百分之五十载到百分之二十五载

这边的效率差异高达 7.5 个点

而用 GaN FET的话

从百分之五十载跟百分之二十载之间

这个效率只差了 2.6 个点

那么原因是什么呢

就是说主要原因还是说

我们看为了实现软开关

那么我们需要一个负的电流来实现

但是呢如果用硅的 MOSFET

那么这个负的电流要实现软开关

这个负的电流就很大

那么这负的电流

实际上它并没有把能量传输出去

它只是在原边环流

那么原边环流就会导致刚才讲的

原边绕组 Winding 损耗增加铜损增加

那么同时还会带来铁芯损耗增加

那么这种情况下特别是在一开始

如果你这个产生的损耗在载比较重的时候

因为电流峰值比较大

那么它所带来的比重比较小

那么它就影响不那么大

但是在载比较轻的时候电流峰值很小

那么它本身这个带来损耗的体现就特别严重

那么这就是为什么它就说用 Si FET 跟 GaN FET

它这个轻载的效率会变化比较大的原因

那么怎样去设计这个呢

就是你要就要去改善增加轻载的效率

最好方式就是说设定这个 burst 的电流高一点

就进入 burst 的这个电流峰值高一点

那么这是一个设定一个 burst 的一个方式

那么你还可以把它设的更高一点

那么通常来说建议设到

百分之五十到百分之六十的这个负载

这样比较合适

那么举个例子

如果你原来是最大原边电流是0.3A 0.6V

那么我们可以设到 0.3V 左右

OK 那么怎样去设定这个 burst 呢

那么它主要由 burst pin 来设定

那么这个通过再增加一个电阻到这个 REF pin

那么跟再增加一个电阻到这个地 pin 脚

那么最好这边加一个小的电容

来使它防止噪声的影响

那么这个 burst pin 跟这个电压

也就是 burst 电压跟这个电阻的关系

是用这个公式来算出来

这边就是一个我们实际这个 45 瓦 EVM 板上

看到了就是我们设定在的百分之六十左右

这个 Burst

那么看在百分之五十载的时候

它是已经进入一个非常稳定的这个 burst 工作

那么在百分之二十五载的时候

它进入这个 burst 的这个个数就减少了

那么在这百分之十载的时候

这个 burst 的这个个数就变得更少

就是每个开关周期的时候个数更少

那么它可以高达 94.2 这个效率在 115V 的时候

那么在 230V 时候可以达到 93.6

OK 那么在我们这种模式切换

也就是在 LPM 跟 ABM 之间

那么如果在某个载下那有可能出现不稳定

那么这边我们看到一个例子

就是说你如果这边发现问题就说它在某一个载下

那么就是在这个整个工作呢

IC 工作在 LPM 跟 ABM 之间切换

那么 LPM 是工作在哪

就是当如果高侧跟低侧同时工作的时候

它就在自适应模式工作方式

那么在这个只是低侧在工作

高侧不工作的时候

它们就工作在 LPM 模式

那么这个 burst 频率可能大概在575k

那么这样就会导致这个输出

有一个 575Hz 的噪声

那么噪声非常明显

那么要解决这个问题呢

就是要在这边加一个滞环

就在 LPM 跟 ABM 中加一个滞环

那么滞环实现怎么实现

主要是通过就是内部

当这个从 ABM 进入这个 LPM 的时候

那么这个 2.7 微安的电流就会流出 burst pin

那么在这个 burst 上

在这个上面产上一个电压

那么这电压就引入了一个滞环

那么这个滞环大小就是用这个公式就是用这个

实际上它就是 2.7 微安乘以

这两个电阻并联的一个值

OK 那么用这个

就是 C 这个 burst pin 脚上加一个电容

那么这个电容可以有助于

去防止一些噪声对它产生的一个影响

那么这边就是实际这个

就是说 LPM 大于 HPM 的时候

这个加入这个 0.15V 的这个滞环这种工作情况

那么从这边切换来看的话

从 ABM 传到 LPM 的时候

这个整个工作非常的稳定

那么替换非常稳定

那么从 LPM 切换到 ABM 的时候

这个切换也非常稳定

所以呢这个是一个非常好的设计

那么接下来再看一下 USB PD 的设计

那么因为 USB PD 它这个输出电压变化很大

就是有可能从 5V 到 20V 的这个变化

同时输入电压变化也很大

那么对 USB PD IC 的设计有一些影响

那么最主要还是在这个辅助 Winding 上

也就是说你辅助 Winding

假设你这个为了满足 IC 工作

那么最小电压可能要到十几伏

那这个供电是要大于十几伏

那么你在 5V 的时候要满足它工作

那么 5V 的时候这边是几伏

那么如果到这个输出为二十几伏的时候

那么这个电压可能高达四十几伏

那么 IC 的这个 VCC 是支持不了

这么大的一个电压

或者损耗也非常大

那么解决的办法就是加两个 Winding

当这个 USB

就说当你输出电压调到这个 15V 以上的话

那么用这个辅助 Winding 的电压分量会产生电压

产生一个电压来供电 VCC

那么这个电压会大于这两个管子产生的电压

因为这边有个稳压 LDO 输出的电压

那么实际上也就是说在输出电压比较高的时候

由这个小 Winding 来给 IC 供电

那么这个辅助 Winding 这个信号

它提供电流就是基本上就是等于零

那么这个损耗就很小

当这个输出电压在小于这个 15V

也就是 9V 到 5V 之间的时候

那么这时候辅助 Winding 这边的信号

这边产生的这个电压会变小

那么这个电压会小于这个我用

这个辅助 Winding 产生的电压

经过 LDO 输出的电压

那么实际上这个时候这边的二极管就会关断

那么这样产生的供电 IC 的供电

就是由这两个 Winding 产生

加 LDO 产生的电压来供电

那么这样的话使这个整个 IC 的损耗会比较少

这是 TI 这个官网上就是发布的一个参考设计

那么它是 65W USB Type-C PD

那么它的这个功率密度达到 30W/in3

那么它这个设计呢

可以满足这个小于 75W 这个待机损耗

那么它采用的是 GaN FET

也就是两个分立的 GaN FET 加一个隔离的驱动

那么用的这个控制器就是我们 28780

那么同步整流加 24612

那么 PD 的控制协议用 TI 的 TPS25740 来控制

那么大家如果有兴趣可以通过 TI 官网去搜

TIDA-01622 就可以找到这个参考设计的所有资料

最后介绍一下改进这个效率的一些建议

那么第一个是这个变压器的设计考量

那么首先选择

既然要选择这个磁芯高频特性好的

TDK-N49 Ferroxcube-3F36

那么 Winding 的选择

Winding 线的选择那么当然要选择丽兹线

那么你还要因为这个开关频率这么高

那么你还要考虑这个选择丽兹线的时候

要考虑这个直流电阻跟交流电阻的一个合理值

那么这边要怎样去平衡它

那么这种 guidance 就是跟你高频时候

你设计怎样去减小它这个

集肤效应跟临近效应的影响

那么再一个就是我这个磁芯的磁通的变化

或者磁感应强度的变化

这个值的话要求在 0.15 到 0.2 之间会比较好

这样的话可以减小这个磁芯损耗带来的影响

那么就在 MOSFET 的选择的话

如果是 super junction 的 MOSFET

那么低侧的话它的电容要尽量小

就是它寄生电容要尽量小

那么当然低侧 Rdson 要尽量小

那么高侧的话这个电容也要小

但是呢它这个电阻

导通电阻稍微大一点点还是可以接受的

因为在这上面的这个电流有效值稍微会低一点

最后做个总结

传统这个无源钳位的反激

那么它由于它存在这个钳位的这个损耗

以及这个开通损耗

那么这就限制它去应用到高功率密度

或者高频高效这种应用

那么有源钳位反激它可以有效的减少这个

消除这个钳位损耗以及它这个开通损耗

但是呢 它可能会带来一个绕组铜损

以及变压器磁芯损耗的这个增加

所以要去在设计上要去考虑整两个之间的平衡

但是呢有源钳位反激是一个非常好的方案

去实现高频高功率密度的这个交流电感设计

那么德州仪器这个 UCC28780跟 UCC24612

这个方案是非常适合于这个设计

这个高功率密度的这个电源应用的场合

那么最后就是一些设计上的建议提供给大家

那么非常感谢你花出时间来观看这个视频

如果有问题请联系我们的这个销售端的代表

或者是可以联系到我这边

谢谢

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视频简介

设计超高功率密度的小功率AC-DC电源

所属课程:TI HVI系列培训 发布时间:2018.04.11 视频集数:26 本节视频时长:01:11:10

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