集成有源钳位电路的反激式 PWM控制器设计

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

由于高效率、低功耗和减少占地面积等非常严格的要求，对节能的需求变得越来越难以满足。对于广泛应用于电源应用中的AC/DC 转换器，需要进一步优化电路。

AC/DC 转换器的设计通常涉及高压和变压器的使用，这对设计人员提出了越来越困难的挑战。

然而，市场上越来越多的集成控制电路的出现部分促进了这项任务，能够简化高效 AC/DC 转换器的设计，减少外部组件的数量和电路的整体尺寸。

反激式转换器

图 1 所示的反激式转换器是制造电源和充电器最广泛使用的拓扑之一。该电路需要一个具有高开关频率的晶体管、一个变压器（能够确保输入和输出之间的电流隔离）和其他几个组件。其工作原理是在晶体管Q1导通时将磁能储存在变压器铁芯中，然后在晶体管关断时将其传递给负载。

图 1：反激式转换器的拓扑结构

开关频率越高，转换器越小。然而，开关频率受到一些因素的限制，首先是变压器漏感。每次切换FET Q1时，变压器寄生电感存储的能量由钳位电路耗散，钳位电路由 R1、C1和 D1 组成。如果开关频率太高，功率损耗会变得太高，有可能对转换器造成无法修复的损坏。

为了克服这个问题，使用了称为有源钳位解决方案，它涉及使用一个第二晶体管，Q的2，以及电容器。有源钳位不会试图耗散电阻器中的泄漏能量，而是将其存储在钳位电容器中，然后将其回收到负载。通过应用有源钳位控制，还可以实现零电压开关 (ZVS)，这是一种显着提高转换器效率的条件。具有有源钳位的反激式转换器的示例如图 2 所示，在这种情况下，钳位晶体管 Q2是 P 沟道 FET。

图 2：具有有源钳位的反激式转换器

此外，如果使用氮化镓 (GaN) 晶体管代替普通的硅 FET 晶体管，则达到 ZVS 条件所需的能量将显着降低，从而允许更高的开关频率和更小的电路。

有源钳位需要一个智能控制电路，能够非常快速地动作。有源钳位电路允许通过回收否则耗散的泄漏能量和减少开关损耗来获得更高的效率。此外，由于有源钳位 FET 的软开关和较小的开关电压，它允许实现较低的 EMI。

Silanna ACF 转换器

Silanna Semiconductor 总部位于加利福尼亚州圣地亚哥，专门提供具有一流功率密度和效率性能的设备，帮助客户实现前所未有的 BoM 节省。Silanna Semiconductor 的 AC/DC 和 DC/DC 电源转换器 IC 正在利用最新的数字和模拟控制和设备技术推动旅行适配器、笔记本电脑适配器、电器电源、智能计量、计算、照明、工业电源和显示电源方面的关键创新。

SZ1110 和 SZ1130 器件是完全集成的有源钳位反激 PWM 控制器，集成了自适应数字 PWM 控制器和以下超高压 (UHV) 组件：有源钳位 FET、有源钳位栅极驱动器和启动稳压器。这种前所未有的集成水平有助于设计高效、高功率密度的适配器，并且具有较低的 BoM 成本，以满足耗电的手机、平板电脑、笔记本电脑和视频游戏机。

这些器件使简单的反激式控制器易于设计，具有 ACF 设计的所有优点，包括反激式变压器的漏电感能量的再循环和在关断事件期间限制初级 FET 漏极电压尖峰。SZ1110 和 SZ1130采用 Silanna 的 OptiModeTM数字控制架构，逐周期调整器件的工作模式，以保持高效率、低 EMI、快速动态负载调节和其他关键电源参数。因此，65W 通用输入 AC/DC 电源的全硅实施可以实现 > 94% 的效率，并在不同的负载/线路/温度条件下保持平坦的效率曲线。

此外，开关频率被限制在一个紧密的频带内，以简化 EMI 滤波。此外，有源钳位操作的自适应数字控制可实现初级 FET 的接近 ZVS 导通，并在关断期间钳位漏极电压，从而进一步提高效率并降低 EMI。

与传统的 ACF 设计不同，在大批量生产中，电路的正常运行不需要钳位电容器和漏电感值的严格公差。此外，一个小的 3.3 nF 钳位电容器足以实现 ACF 操作的好处。SZ1110 和 SZ1130 非常适合高效率和高功率密度的 AC/DC 电源适配器。这些设备专为高达 33 W (SZ1110) 和高达 65 W (SZ1130) 的输出功率而设计，包括 USB-PD 和快速充电应用。

当今的市场趋势，尤其是便携式消费电子产品，需要更大的电池和更快的充电操作，这意味着需要从电源适配器获得更多功率。电路的整体尺寸是另一个相关的关键因素，因为原始设备制造商希望在相同尺寸或​​更小的电源适配器中获得更多功率（更高的功率密度和更高的效率）。现有的解决方案正在达到极限，新的创新方法正在取代它们。

SZ1110 和 SZ1130 ACF PWM 控制器能够实现超过 94% 的效率、在通用 (90 – 265 VAC) 输入电压和负载范围内的平坦效率曲线、高达 146 kHz 的开关频率操作以及集成过热 (OTP)、过16 引脚 SOIC 封装中的电压 (OVP)、过流 (OCP)、过功率 (OPP) 和输出短路 (OSCP) 保护。如图3所示，基于全球首款全集成有源钳位反激控制器Silanna SZ1130的65W USB-PD评估板在20V/3.25A输出和230 VAC输入下实现了94.7%的效率，提供65W最大输出功率在小尺寸 PCB (45mm x 45mm) 中。

图 3：基于 SZ1130 的评估板

编辑：hfy