集成容性隔离助力高密度适配器设计

集成容性隔离助力高密度适配器设计,第1张

【导读】快充需求推动了高密度适配器的蓬勃发展。在实际的适配器设计中,花样繁多的新型开关功率器件、拓扑和控制方案不计其数。

 

随着各种尖端技术的引入,适配器产品的功率密度也显著提高。1W/cm3 已成为高密度适配器的常规标准,这至少两倍于五年前的市场产品。然而,密度增加了,应用级别的产品设计难度也水涨船高,逐渐被推向极限。设计人员必须不断进取,才能超越传统解决方案的限制。

 

隔离要求

 

适配器设计中最关键的挑战之一来自隔离要求。根据安全法规标准,适配器需要在原边的高压电路和副边的低压电路之间增强绝缘。在传统解决方案中,隔离控制通常由光耦合器实现(参见图 1)。但光耦合器仅在相对较低的带宽下传输补偿信号,用于输出调节; 在这种条件之下,光耦合器无法实现原边 MOSFET 和SR MOSFET的同步。

 

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图 1:基于光耦合器的传统反激式变换器


因此,传统方案中的SR控制只能通过监测副边绕组电压来实现。由于 SR MOSFET 只能在原边 MOSFET 导通之后才能关断,因此在连续导通模式 (CCM) 工作期间,始终存在击穿。如果 SR MOSFET 不能足够快地关断,持续的击穿可能会导致较大的反向电流和高电压尖峰。这些高应力会导致严重的可靠性问题。为避免这些问题,通常建议实施布局限制并使用大型缓冲器。然而,组件尺寸的增大和功耗的增加又进一步限制了功率密度。

 

容性隔离解决方案

 

MPX2002和 MPX2003 是一种颇为有效的一体化解决方案,它将容性隔离集成到反激式和 SR 组合控制器中。 如图 2 所示,该方案中集成的一对高压电容器可以承受 4500VRMS 达60秒。这样的隔离耐受电压额定值完全能够满足大多数安全法规中的增强隔离要求。此外,它在高压电容器之间建立起高速通信通道,能够实现 SR 和原边开关之间可靠而精确的同步。

 

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图 2:基于 MPX2002 或 MPX2003 的反激式变换器


如图 3所示,在所有工作条件下,IC 的内部逻辑都能够保证 SR栅极与原边反激栅极之间典型的 30ns 死区时间。这极大地降低了 CCM 期间的击穿风险,从而无需使用超大缓冲器来应对击穿引起的高压应力。

 

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图 3:MPX2002 解决方案中 SR 栅极和原边栅极的典型波形


除了同步信号以外, MPX2002和 MPX2003 隔离电容器之间的通信还通过脉冲频率调制 (PFM) 传送输出调节信号。在 PFM 期间,开关频率(fSW)和反激变换器的峰值电流均由 PFM 信号控制,这意味着该方案无需光耦合器。另外,MPX2002 和 MPX2003 分别针对 65kHz 和 130kHz 的额定开关频率进行了优化。因此,当采用 MPX2002 和 MPX2003 构建解决方案时,不再需要光耦合器。

 

无需额外组件还解决了高密度适配器的另一个关键挑战:有限的布局空间。快充适配器需要更高的功率和更多的功能,这意味着更多的组件需要被塞进狭小的空间内。简化整体解决方案、减少组件数量等特性对于空间受限应用变得至关重要。

 

图 4 显示了基于 MPX2003 设计的 40mmx40mmx25mm/65W PD 适配器。在没有适配器的情况下,其功率密度可高达 1.63W/cm3。而且,即使在副边添加了实现 PD 协议需要的所有组件之后,布局空间仍有富余。

 

集成容性隔离的解决方案还具备其他益处,即,IC 可以直接置于变压器下方,从而缩小PCB 布局尺寸。而根据安全法规的间隙要求,传统解决方案通常需要将除光耦合器以外的所有组件都置于远离变压器的位置。

 

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图 4:基于 MPX2003 的 65W PD 适配器设计


高度集成的反激式控制器极大地提升了效率与功率密度,具体表现在以下几个方面:

 

•SR 的精确时序控制消除了对超大缓冲器的需求,有利于空间受限应用

•先进的 CCM 和准谐振 (QR) 混合控制方案确保了工作状态在较宽范围内得到优化

•显著减少的组件数量降低了 BOM、缩短了上市时间

•对变压器下方空间的有效利用减小了 PCB 尺寸

 

从图 5 可以看出,对于PD协议要求的任何输出电压 (VOUT),这种方案的效率都可以通过主流的能量调节阈值,并且留有足够的裕度。即使在满载情况下,其效率依然可观,这无疑简化了散热设计。

 

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图 5:MPX2003 的效率曲线(65W PD 适配器设计)


结论

 

容性隔离的集成突破了采用光耦合器的传统解决方案预期。而MPX2002 和 MPX2003 等反激式控制器尤以其超小尺寸、高效率和布局灵活性展现出集成解决方案的有效性。

 

总体而言,集成方案具备多种优势,如 SR 和原边开关之间更精确的同步、元件数量的减少以及更紧凑的布局等等。此外,这种解决方案还能够实现更先进的控制方案,这进一步提高了效率与功率密度,为未来更高功率密度的适配器开发铺平了道路。



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