变革的700 V高频、高低边驱动器实现超高功率密度
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摘要 安森美半导体的NCP51530是700 V高低边驱动器，用于AC-DC电源和逆变器，提供高频工作下同类最佳的传播延迟、低静态电流和开关电流。NCP51530具有行业最低的电平漂移损耗，使电源能在高频下高能效的工作。本文将对NCP 51530与行业标准的两个器件进行比较。计算NCP 51530用于有源钳位反激 (ACF) USB PD适配器中的损耗。然后给出NCP 51530对比两个竞争器件用于ACF应用中的实际热性能。紧接着把采用NCP 51530的ACF板的能效数据与采用两个竞争器件的ACF板的能效数据进行了比较。 前言 为了使现代电源更紧凑和高效，电源设计人员越来越多地选用高频应用。开关电源采用高频工作可以减小变压器的尺寸，从而增加电源的功率密度。高频工作也有助于改善电源的电磁干扰(EMI)信号，减少EMI器件数。因此，世界各地的电源设计人员都在研究高频应用。 然而，在实现高频电源方面存在一些障碍。功率开关、变压器铁芯材料、漏电损耗和开关损耗是阻碍大规模应用高频电源的一些障碍。随着氮化镓(GaN)/碳化硅(SiC)技术的出现和MOSFET技术的不断发展，功率开关似乎开始适用于高频电源。同样，变压器铁芯材料制造商也在不懈地努力创新高频铁芯材料。 零电压开关(ZVS)拓扑可以减小与功率开关相关的开关损耗。常用的ZVS拓扑如LLC、半桥转换器、全桥转换器、有源钳位反激、双开关正激转换器等。需要低边、高边驱动器来实现缓冲和电平位移的功能。这些器件可以驱动高边MOSFET的门极，其源节点为动态变化的节点。 有与功率开关驱动器相关的固有损耗。在LLC、半/全桥转换器等具有图腾柱结构的功率开关中，高边驱动器的电平漂移损耗很大。频率越高，这些损耗就越严重。 NCP51530特性 安森美半导体的NCP51530[1] 是700 V、高低边驱动器，用于AC-DC电源和逆变器，提供高频工作下同类最佳的传播延迟、低静态电流和开关电流。NCP51530具有行业最低的电平漂移损耗。因此该器件使电源能在高频下高能效的工作。 NCP51530有A/B两个版本。NCP51530A具有典型的50 ns传播延迟，而NCP51530B有25 ns传播延迟。NCP51530采用SOIC8和DFN10封装。其SOIC8封装引脚对引脚兼容行业标准的方案。 NCP51530有两个独立的输入引脚：HIN和LIN，使其能用于各种不同的应用。 该器件还包括的特性有，在浮动输入的情况下，逻辑仍然是界定的。驱动输入兼容CMOS和TTL逻辑，因此它易于与模拟和数字控制器接口。NCP51530具有高、低边驱动的欠压锁定功能，确保在正确的VCC和VB电压水平上运行。NCP51530的输出级具有3.5A/3A源电流/汲电流能力，可在10 ns内对1 nF负载高效地充放电。 NCP51530有源钳位反激应用 有源钳位反激(ACF)是经典反激拓扑的一个变体，它实现ZVS是利用存储在寄生器件中的能量，而不是通过消耗缓冲电路中的功率。有源钳位产生的波形通常没有尖峰，因此比传统技术更好的抗电磁干扰(EMI)。ZVS特性支持电源转换器在高频工作，同时实现高能效。 安森美半导体的NCP1568[2]是高集成度的AC-DC 脉宽调制(PWM)控制器，用于实施有源钳位反激拓扑。NCP 1568采用专有的变频算法，实现超级结或GaN FET在各种线性、负载和输出条件下的零电压开关(ZVS)。ZVS特性通过提高工作频率来提高电源转换器的功率密度，同时实现高能效。 为了最大限度地减少ACF应用中的功率损耗，当负载和输入电压发生变化时，工作频率需要改变，使附加环流保持在最小。对于超级结FET，ZVS所需的负电流通常为−0.5A。通过调节振荡器的频率，直到SW节点的下降时间被调制成在线性和负载条件下的预定死区时间为止，从而以数字化方式保持负磁化电流相对恒定。在NCP1568中建立时间基准，并根据转换和实现ZVS所需的时间积累错误信号。如果开关节点的转换速度快，且ZVS发生在基准时间之前，那么就有绰绰有余的能量快速重置节点，因此应该降低工作频率或减少关断时间。如果开关节点ZVS刚好在基准时间发生，则不需要调节频率。如果ZVS发生在基准时间后，频率太高，需要降低以确保好的ZVS。 图1 ACF采用NCP51530和NCP1568 正如预期，在具有快速传播延迟的高边驱动器中采用该算法，工作会更高效。具有较慢传播延迟的驱动器使用该算法，将导致比更快传播延迟驱动器更低的工作频率，使整个系统不那么高能效，损耗更大。NCP 51530是业界最快的高低边驱动器，完美地实现这一功能。 使用NCP1568和NCP51530的ACF板的顶层原理图如图1所示。该原理图用于60W、通用输入、20 V输出电源的应用。该电源采用安森美半导体的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低边驱动、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。这是变频的，ACF工作频率范围从200千赫到400千赫。典型的ACF波形如图2所示。 图2. 有源钳位反激模式 计算NCP51530的损耗 在这一部分中，我们使用NCP1568计算NCP51530在ACF应用中的功率功耗。驱动器的总功率损耗可大致分为静态功率损耗和动态功率损耗[4]。静态功率损失是由器件运行所需的偏置电流造成的。动态损耗是由于器件的开关特性造成的。动态损耗又可分为外部FET栅的充放电损耗和电平漂移电容的充放电损耗。 NCP51530的总功率损耗可按以下步骤逐步计算。 1.在以适当频率开关时，器件的静态功率损耗(不包括驱动器)。 IBO是高边驱动器的工作电流 ICCO是低边驱动器的工作电流 2.驱动外部FET的功率损耗 这一损耗是由于外部FET的门极电容器的充放电造成的。因为在这个ACF应用中，只有一个外部FET是由NCP 51530驱动的，所以我们只考虑了驱动一个MOSFET的功率损耗。 如果NCP51530用于驱动高、低边FET，则必须包括两个外部MOSFET门极的充放电功率损耗。 Qgs是MOSFET的栅源电荷 Vboot是高边偏置电源电压 f是工作频率 3.电平漂移损耗[4] 当高边开关关断时，它会使电流流入电平漂移电路，为ldmos1电容充电。该电流从高压母线流过功率器件和自举电容器。另一方面，当高边开关接通时，会使电流从VCC流经自举二极管进入电平漂移电路。 Vsw是轨道电压 Qls是电平漂移电路的基板电荷 |
