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為100W USB電力輸送適配器提供超高功率密度

2019-07-05 16:09 來源:德州儀器(TI) 編輯:電源網

USB 電力輸送(PD)標準支持通過USB進行高達100W的電力輸送,該電力足以驅動筆記本電腦、顯示器和DLP®電影放映機等高功率設備。

USB PD適配器通常采用電感-電感-電容(LLC)或準諧振(QR)反激進行隔離式DC/DC轉換。LLC的優勢在于其支持具有軟開關的功率開關,但由于其窄增益限制,并不適用于寬輸出電壓范圍。而且,QR反激在不連續電流傳導模式下工作,且在所有輸出電壓范圍內都不能實現全軟開關。此外,變壓器漏感的損耗限制了實際的最大開關頻率。當設計人員想要實現高功率密度和小適配器尺寸時,上述不足就給功能的實現帶來了很大的限制。

有源鉗位反激(ACF)是一種可克服這些限制的新型諧振拓撲。與QR反激不同,ACF可實現軟開關和漏感能量回收。臨界導通模式ACF使用小型負磁化電感在整個負載范圍內實現零電壓開關(ZVS)。此外,輸出整流器可在關斷期間實現零電流開關(ZCS),這將降低整流器的反向恢復損耗,并提高電磁干擾性能。憑借這些優點,可實現高頻率和高效率的適配器。

使用德州儀器30 W/in3、93.4%效率、100 W AC/DC適配器參考設計的電路包括基于UCC28056的前端轉換模式功率因數校正(PFC)電路,然后是基于UCC28780的用于隔離式DC / DC轉換的ACF。圖1是參考設計的詳細系統框圖。

為100W USB電力輸送適配器提供超高功率密度

圖1:AC/DC適配器參考設計系統框圖

設計人員最關注的特征是無外殼的超高功率密度30 W/in3。首先,臨界導通模式ACF可以實現高開關頻率,使得RM8內核可用于變壓器。而且,由于具有超高轉換器效率,無需使用散熱器,從而既節省了空間,也提高了功率密度。圖2所示為AC/DC適配器參考設計電路板。

為100W USB電力輸送適配器提供超高功率密度

圖2:AC/DC適配器參考設計電路板

設計師關注的另一重要特征是該設計的高效率。UCC28780實現了主開關的ZVS和次級整流器的ZCS。次級諧振配置形成初級電流波形,從而降低初級均方根(RMS)電流并顯著改善同步整流器操作。氮化鎵場效應晶體管用于ACF初級側開關,以提高效率,因為它們具有較小的寄生參數。通過在5 VOUT和9 VOUT下關閉PFC級,可進一步提高效率。圖3所示為參考設計的平均效率曲線。

為100W USB電力輸送適配器提供超高功率密度

圖3:AC/DC適配器參考設計平均效率曲線

總之,100 W AC/DC適配器參考設計為USB PD適配器提供了完整的解決方案,適用于任何100 W應用。高效率和高功率密度使該適配器具備更強大的性能且更加便攜。

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