TI推出首款可量產(chǎn)有源鉗位反激式控制器，電源尺寸減半

智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)AC-DC適配器功率增大的需求和尺寸縮小的要求是矛盾的，電源IC廠商必須想出新的辦法，開發(fā)出更加小型化的適配器...

近年來，快速充電技術(shù)的發(fā)展讓智能手機(jī)充電速度大幅提升，“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”更是成為vivo的經(jīng)典廣告詞。快充技術(shù)本質(zhì)上是提升充電功率，功率需求的增加，意味著產(chǎn)生移動(dòng)性受限的更大的AD-DC適配器。對(duì)于這個(gè)趨勢，很多電源IC廠商都致力于開發(fā)縮減電源尺寸的方案。

3月19日，TI(德州儀器)新推出市面上第一款量產(chǎn)的UCC28780有源鉗位反激式控制器，以及第一個(gè)專門針對(duì)有源鉗位反激式控制器設(shè)計(jì)的同步整流器控制器，UCC24612。這兩者的結(jié)合能將開關(guān)的工作頻率提高到1MHz，幫助將AC/DC適配器和USB PD充電器的電源尺寸減半。

TI高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示：“消費(fèi)者希望以更小的尺寸實(shí)現(xiàn)更快速的充電，這些新解決方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，而且還能使設(shè)計(jì)人員以更低的功耗實(shí)現(xiàn)比之前更多的功能。”

有源鉗位反激:以更小空間釋放更多電力

對(duì)于AC-DC電源，由于簡單，反激式轉(zhuǎn)換器是首選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。理論上來說，開關(guān)頻率越高電源的尺寸越小，因?yàn)榭s減了變壓器以及電容電感等無源器件的體積。但實(shí)際上，太高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更多的變壓器漏感，以熱能的方式散發(fā)出來，不但影響轉(zhuǎn)換效率，還易損壞元器件。因此，市面上的反激式開關(guān)電源的工作頻率大多在幾十KHZ，而此次TI發(fā)布了高達(dá)1MHZ的UCC28780有源鉗位反激式控制器。與UCC28780一同搭配的是UCC24612同步整流控制器，同樣支持高達(dá)1MHZ的開關(guān)頻率。

“準(zhǔn)諧振反激器一直是首選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以往業(yè)界都是通過減小變壓器漏感來縮減電源尺寸。直到現(xiàn)在，我們認(rèn)為有源鉗位反激打破了這個(gè)平衡，有源鉗位可存儲(chǔ)能量并將其傳輸至輸出，并提供零電壓開關(guān)，這樣消除了兩大主要損耗來源，使得尺寸大大縮小。”TI系統(tǒng)及應(yīng)用工程經(jīng)理John Stevens說道。

圖：John Stevens 先生在介紹有源鉗位反激式芯片組

但細(xì)節(jié)是關(guān)鍵，因?yàn)槿绻性淬Q位得不到智能控制，它實(shí)際效果會(huì)變差。為此，TI專門為有源鉗位反激電路開發(fā)了高達(dá)1MHZ的智能控制器UCC28780，讓反激式電源以更小的外形尺寸達(dá)到高性能。

UCC28780+ UCC24612的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

第一，消除開關(guān)損耗并降低EMI，以適當(dāng)?shù)目刂沏Q位，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。值得一提的是，零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)被視為由高頻及更高效率要求而帶來的所有挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)妙法，其原理是在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷，以消除所有開關(guān)損耗。

但在實(shí)際應(yīng)用中，電路設(shè)計(jì)者只能估算何時(shí)出現(xiàn)零電壓和零電流，因而零電壓開關(guān)很難實(shí)現(xiàn)完美同步。John Stevens表示，UCC28780通過創(chuàng)新的ZVS算法可以精準(zhǔn)地抓取零點(diǎn)電壓，進(jìn)而降低開關(guān)損耗，這是TI獨(dú)到的優(yōu)勢。

此外，UCC28780還支持氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管(FET)，進(jìn)一步降低輸出電容和導(dǎo)通電阻，縮減適配器尺寸。據(jù)了解，采用了GaN場效應(yīng)晶體管的有源鉗位反激式電路的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%-95%，大約比普通的硅基場效應(yīng)晶體管提升了2%的效率。

第二，小尺寸。更低的開關(guān)損耗讓該芯片組可在高達(dá)1MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，可以縮減變壓器、無源器件的體積，并省去了散熱片。與目前的解決方案相比，可將整體尺寸縮小50%，而且功率密度更高。

第三，高效率。通過循環(huán)泄露能量并將其傳遞到輸出端的方式提升效率，多模態(tài)控制在滿載情況下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的效率，待機(jī)功耗小于40mW，超過CoC Tier 2和美國能源部(DoE)VI級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

圖：吳渭強(qiáng)先生在介紹有源鉗位反激式芯片組的優(yōu)勢

據(jù)了解，TI新推出的有源鉗位反激式芯片組支持20W-150W的功率范圍，主要面向高功率的市場。其中，對(duì)于75W以上的功率需求，TI還提供了一款UCC28056 PFC控制器。由于PFC(功率因子校正)的增加會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，UCC28056可在10%負(fù)載下實(shí)現(xiàn)超過90%的效率，并且只有25mW的待機(jī)功耗，因而可以始終開啟，減少元器件數(shù)量。UCC28056主要面向的市場是數(shù)字電視、臺(tái)式電腦、筆記本適配器、電動(dòng)工具和其他AC/DC應(yīng)用。

最后，TI還展示了UCC28780EVM、UCC24612EVM這兩款開發(fā)板，售價(jià)為499美元和100美元。而針對(duì)目前市場火爆的USB Type-C AC-DC適配器，TI還有一款65W的參考設(shè)計(jì)，具有85-265V AC的寬輸入電壓范圍，該設(shè)計(jì)以非常高的開關(guān)頻率和30W/in3的功率密度實(shí)現(xiàn)92%的峰值效率。

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