作者：安森美半導體AC-DC事業(yè)群市場營銷及應(yīng)用總監(jiān)Ryan Zahn，應(yīng)用工程經(jīng)理Ajay Hari

談到便攜式設(shè)備，電源適配器一直是個麻煩。它們的大小、能效水平和功率輸出不足在某種程度上削弱了它們所支持的設(shè)備外形的持續(xù)減小，從而影響了可攜性。

現(xiàn)在，USB供電(PD)通過單一電纜提供達100 W的電力和數(shù)據(jù)傳輸能力。這一便利代表USB PD正在成為中小型設(shè)備首選的充電方式。然而，實施USB PD的一個挑戰(zhàn)，是以更高的功率水平提供不同的輸出電壓，以滿足人們迫切需要的快速充電，同時也不會最終用一個能效低、成本高和笨重的適配器。

使用寬禁帶半導體，如氮化鎵(GaN)功率器件，是提高適配器能效和縮小適配器大小的一種潛在方法，但這是該領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，而且目前相對昂貴。作為另一種選擇，在拓撲方面的進步，如有源鉗位反激，使用標準的超級結(jié)MOSFET，支持設(shè)計人員能基于已證實的技術(shù)，同時還推進適配器設(shè)計。

我們生活在一個越來越頻繁移動的世界，我們隨身攜帶智能手機、筆記本電腦和平板電腦等多種設(shè)備，以及越來越多的可穿戴設(shè)備，用于健康監(jiān)測和其他應(yīng)用。制造商投入了大量研發(fā)資金，以滿足消費者的需求，包括增加的功能和縮小的尺寸/增加的便攜性。

當我們旅行時，我們開始意識到，雖然制造商在設(shè)備本身的小型化方面取得了巨大的進步，但所需的電源適配器/充電器卻有些落后，與設(shè)備相比可能比較笨重。這一點在旅行時尤為明顯，常常需要多個充電器來滿足不同設(shè)備的電壓和連接器要求。

顯然，需要某種形式的標準化，以使充電具有共同性，從而減少必須攜帶的充電器數(shù)量，以及減少每年丟棄的大量充電器所造成的電子廢物。

USB 1.1額定功率為2.5 W(5V，500 mA)，USB 3.0將其提高到4.5 W(5V，900 mA)，但這種功率能力僅適用于小型設(shè)備，如智能手機。USB PD規(guī)范于2012年由USB Promoters Group發(fā)布，支持達100 W的電力傳輸，從而支持為更大的設(shè)備如筆記本電腦和顯示器供電和為移動設(shè)備更快地充電。改變輸出電壓的能力也增加了它的通用性。有許多內(nèi)置于標準的精密功能，包括雙向供電(支持為電纜任意一端的設(shè)備供電)，和支持同時在同一電纜上傳輸數(shù)據(jù)和電力的快速角色交換。

當USB PD被首次發(fā)布時，它基于六個電源配置文件，這些配置文件定義了可傳輸?shù)碾妷汉碗娏?。然而，USB PD 2.0刪除了配置文件，并支持采用一種更靈活的方法，使得電源可以支持從0.5 W到100 W的任何要求。

雖然USB PD提供的靈活性可能會減少所需的充電器數(shù)，但并不一定會減少單個充電器的大小，這給設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)。電源適配器不僅必須與USB PD兼容，還必須以合理的成本增加功率密度。

實現(xiàn)這一目標的途徑已經(jīng)相當成熟，電源工程師直覺地意識到，提高效率是實現(xiàn)更高功率密度的關(guān)鍵。更高效的設(shè)計產(chǎn)生較少的余熱，說明可通過更小的表面積來實現(xiàn)必要的耗散。為了提高能效，工程師們尋求高效的拓撲和改進的器件，特別是關(guān)鍵的開關(guān)器件。如果這些開關(guān)器件具有較低的動態(tài)損耗，則可以提高開關(guān)頻率，從而減小如磁性器件等笨重器件的尺寸。

目前重點關(guān)注的一個領(lǐng)域是寬禁帶器件，如氮化鎵(GaN)FET，在低損耗、高溫工作和快速開關(guān)頻率方面提供許多優(yōu)勢。但這些設(shè)備仍然較新和相對昂貴。此外，它們還未經(jīng)長期使用證實，因此，若要實現(xiàn)相當?shù)慕Y(jié)果，工程師們更愿意依賴經(jīng)過試驗和測試的硅基技術(shù)。

一種新興的解決現(xiàn)代電源適配器需求的拓撲結(jié)構(gòu)是有源鉗位反激 (ACF)。這使用可變頻率，使零電壓開關(guān)(ZVS)的超級結(jié)(SJ)FET跨越多個負載和線性條件。這采用安森美半導體新的NCP1568 AC-DC ACF脈寬調(diào)制(PWM)集成電路(IC)實現(xiàn)。將這一新器件與新的NCP51530高性能2A、700 V半橋驅(qū)動器結(jié)合，為工程師提供一個平臺，為今后的電源適配器設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

圖1：NCP1568 ACF控制器

NCP1568作為控制器，提供智能的電源系統(tǒng)，能實現(xiàn)超高密度和高能效的電源設(shè)計。與ACF一樣，控制器在非連續(xù)導通模式(DCM)下工作，提高輕載條件下的能效，同時待機功耗僅30 mW，使設(shè)計人員能夠達到符合現(xiàn)代能效規(guī)范的要求，包括歐盟CoC Tier 2。該設(shè)計針對實施USB PD而優(yōu)化，同時需要盡可能最少的外部電路。

工作頻率從100千赫到1兆赫，使設(shè)計人員可縮小磁性器件尺寸，功率密度是傳統(tǒng)的反激設(shè)計的兩倍。該方案采用SJ FET，峰值能效達93.5%，工作頻率達400 kHz。NCP1568還可與eGaN FET一起使用，以提高開關(guān)頻率，從而更進一步提高功率密度。

NCP1568提供智能和控制，NCP51530是集成的高、低邊驅(qū)動器，在達700 V的電壓提供兩個N溝道功率MOSFET的高效功率開關(guān)，從而在緊湊的空間實現(xiàn)高性能的電源方案。NCP51530適用于具有較短傳播延遲以及快速上升和下降時間的高頻工作。傳輸延遲(5ns)的嚴格匹配有助于提高所有應(yīng)用的能效。

圖2：60 W超高密度演示板

小結(jié)

USB PD規(guī)范很大程度上解決了許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)導致了今天使用的許多便攜式設(shè)備需要大量不同的適配器。這精簡將使設(shè)計人員轉(zhuǎn)向?qū)Ｗ⒂谑惯@些適配器更小和更高效，防止它們的大小抵消在使便攜式設(shè)備更便攜方面的巨大改進。

雖然想要轉(zhuǎn)向?qū)捊麕Ъ夹g(shù)如GaN，以應(yīng)對功率密度挑戰(zhàn)，但許多人認為，在可靠性至關(guān)重要的領(lǐng)域，這是有風險的，主要原因是GaN仍然相對較新，而且尚未得到證實。

安森美半導體將NCP1568和NCP51530搭配，通過結(jié)合一個高能效的拓撲(ACF)和減小器件大小的高頻工作，滿足當前市場的需求。雖然這些優(yōu)勢是通過可靠的和已證實的硅基超級結(jié)FET實現(xiàn)的，但只要成熟，該方案也兼容GaN器件。

高性能和經(jīng)驗證的技術(shù)的結(jié)合使得許多設(shè)計人員能夠消除便攜式設(shè)備的充電煩惱。