安森美半導(dǎo)體的NCP51530是700 V高低邊驅(qū)動(dòng)器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類最佳的傳播延遲、低靜態(tài)電流和開關(guān)電流。NCP51530具有行業(yè)最低的電平漂移損耗，使電源能在高頻下高能效的工作。本文將對(duì)NCP 51530與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)器件進(jìn)行比較。計(jì)算NCP 51530用于有源鉗位反激 (ACF) USB PD適配器中的損耗。然后給出NCP 51530對(duì)比兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)器件用于ACF應(yīng)用中的實(shí)際熱性能。緊接著把采用NCP 51530的ACF板的能效數(shù)據(jù)與采用兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)器件的ACF板的能效數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

前言

為了使現(xiàn)代電源更緊湊和高效，電源設(shè)計(jì)人員越來越多地選用高頻應(yīng)用。開關(guān)電源采用高頻工作可以減小變壓器的尺寸，從而增加電源的功率密度。高頻工作也有助于改善電源的電磁干擾(EMI)信號(hào)，減少EMI器件數(shù)。因此，世界各地的電源設(shè)計(jì)人員都在研究高頻應(yīng)用。

然而，在實(shí)現(xiàn)高頻電源方面存在一些障礙。功率開關(guān)、變壓器鐵芯材料、漏電損耗和開關(guān)損耗是阻礙大規(guī)模應(yīng)用高頻電源的一些障礙。隨著氮化鎵(GaN)/碳化硅(SiC)技術(shù)的出現(xiàn)和MOSFET技術(shù)的不斷發(fā)展，功率開關(guān)似乎開始適用于高頻電源。同樣，變壓器鐵芯材料制造商也在不懈地努力創(chuàng)新高頻鐵芯材料。

零電壓開關(guān)(ZVS)拓?fù)淇梢詼p小與功率開關(guān)相關(guān)的開關(guān)損耗。常用的ZVS拓?fù)淙鏛LC、半橋轉(zhuǎn)換器、全橋轉(zhuǎn)換器、有源鉗位反激、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器等。需要低邊、高邊驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)緩沖和電平位移的功能。這些器件可以驅(qū)動(dòng)高邊MOSFET的門極，其源節(jié)點(diǎn)為動(dòng)態(tài)變化的節(jié)點(diǎn)。

有與功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的固有損耗。在LLC、半/全橋轉(zhuǎn)換器等具有圖騰柱結(jié)構(gòu)的功率開關(guān)中，高邊驅(qū)動(dòng)器的電平漂移損耗很大。頻率越高，這些損耗就越嚴(yán)重。

NCP51530特性

安森美半導(dǎo)體的NCP51530[1] 是700 V、高低邊驅(qū)動(dòng)器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類最佳的傳播延遲、低靜態(tài)電流和開關(guān)電流。NCP51530具有行業(yè)最低的電平漂移損耗。因此該器件使電源能在高頻下高能效的工作。

NCP51530有A/B兩個(gè)版本。NCP51530A具有典型的50 ns傳播延遲，而NCP51530B有25 ns傳播延遲。NCP51530采用SOIC8和DFN10封裝。其SOIC8封裝引腳對(duì)引腳兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的方案。

NCP51530有兩個(gè)獨(dú)立的輸入引腳：HIN和LIN，使其能用于各種不同的應(yīng)用。

該器件還包括的特性有，在浮動(dòng)輸入的情況下，邏輯仍然是界定的。驅(qū)動(dòng)輸入兼容CMOS和TTL邏輯，因此它易于與模擬和數(shù)字控制器接口。NCP51530具有高、低邊驅(qū)動(dòng)的欠壓鎖定功能，確保在正確的VCC和VB電壓水平上運(yùn)行。NCP51530的輸出級(jí)具有3.5A/3A源電流/汲電流能力，可在10 ns內(nèi)對(duì)1 nF負(fù)載高效地充放電。

NCP51530有源鉗位反激應(yīng)用

有源鉗位反激(ACF)是經(jīng)典反激拓?fù)涞囊粋€(gè)變體，它實(shí)現(xiàn)ZVS是利用存儲(chǔ)在寄生器件中的能量，而不是通過消耗緩沖電路中的功率。有源鉗位產(chǎn)生的波形通常沒有尖峰，因此比傳統(tǒng)技術(shù)更好的抗電磁干擾(EMI)。ZVS特性支持電源轉(zhuǎn)換器在高頻工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能效。

安森美半導(dǎo)體的NCP1568[2]是高集成度的AC-DC 脈寬調(diào)制(PWM)控制器，用于實(shí)施有源鉗位反激拓?fù)洹CP 1568采用專有的變頻算法，實(shí)現(xiàn)超級(jí)結(jié)或GaN FET在各種線性、負(fù)載和輸出條件下的零電壓開關(guān)(ZVS)。ZVS特性通過提高工作頻率來提高電源轉(zhuǎn)換器的功率密度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能效。

為了最大限度地減少ACF應(yīng)用中的功率損耗，當(dāng)負(fù)載和輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，工作頻率需要改變，使附加環(huán)流保持在最小。對(duì)于超級(jí)結(jié)FET，ZVS所需的負(fù)電流通常為?0.5A。通過調(diào)節(jié)振蕩器的頻率，直到SW節(jié)點(diǎn)的下降時(shí)間被調(diào)制成在線性和負(fù)載條件下的預(yù)定死區(qū)時(shí)間為止，從而以數(shù)字化方式保持負(fù)磁化電流相對(duì)恒定。在NCP1568中建立時(shí)間基準(zhǔn)，并根據(jù)轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)ZVS所需的時(shí)間積累錯(cuò)誤信號(hào)。如果開關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速度快，且ZVS發(fā)生在基準(zhǔn)時(shí)間之前，那么就有綽綽有余的能量快速重置節(jié)點(diǎn)，因此應(yīng)該降低工作頻率或減少關(guān)斷時(shí)間。如果開關(guān)節(jié)點(diǎn)ZVS剛好在基準(zhǔn)時(shí)間發(fā)生，則不需要調(diào)節(jié)頻率。如果ZVS發(fā)生在基準(zhǔn)時(shí)間后，頻率太高，需要降低以確保好的ZVS。

圖1 ACF采用NCP51530和NCP1568

正如預(yù)期，在具有快速傳播延遲的高邊驅(qū)動(dòng)器中采用該算法，工作會(huì)更高效。具有較慢傳播延遲的驅(qū)動(dòng)器使用該算法，將導(dǎo)致比更快傳播延遲驅(qū)動(dòng)器更低的工作頻率，使整個(gè)系統(tǒng)不那么高能效，損耗更大。NCP 51530是業(yè)界最快的高低邊驅(qū)動(dòng)器，完美地實(shí)現(xiàn)這一功能。

使用NCP1568和NCP51530的ACF板的頂層原理圖如圖1所示。該原理圖用于60W、通用輸入、20 V輸出電源的應(yīng)用。該電源采用安森美半導(dǎo)體的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低邊驅(qū)動(dòng)、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。這是變頻的，ACF工作頻率范圍從200千赫到400千赫。典型的ACF波形如圖2所示。

圖2. 有源鉗位反激模式

計(jì)算NCP51530的損耗

在這一部分中，我們使用NCP1568計(jì)算NCP51530在ACF應(yīng)用中的功率功耗。驅(qū)動(dòng)器的總功率損耗可大致分為靜態(tài)功率損耗和動(dòng)態(tài)功率損耗[4]。靜態(tài)功率損失是由器件運(yùn)行所需的偏置電流造成的。動(dòng)態(tài)損耗是由于器件的開關(guān)特性造成的。動(dòng)態(tài)損耗又可分為外部FET柵的充放電損耗和電平漂移電容的充放電損耗。

NCP51530的總功率損耗可按以下步驟逐步計(jì)算。

1. 在以適當(dāng)頻率開關(guān)時(shí)，器件的靜態(tài)功率損耗(不包括驅(qū)動(dòng)器)。

IBO是高邊驅(qū)動(dòng)器的工作電流

ICCO是低邊驅(qū)動(dòng)器的工作電流

2. 驅(qū)動(dòng)外部FET的功率損耗

這一損耗是由于外部FET的門極電容器的充放電造成的。因?yàn)樵谶@個(gè)ACF應(yīng)用中，只有一個(gè)外部FET是由NCP 51530驅(qū)動(dòng)的，所以我們只考慮了驅(qū)動(dòng)一個(gè)MOSFET的功率損耗。

如果NCP51530用于驅(qū)動(dòng)高、低邊FET，則必須包括兩個(gè)外部MOSFET門極的充放電功率損耗。

Qgs是MOSFET的柵源電荷

Vboot是高邊偏置電源電壓

f是工作頻率

3. 電平漂移損耗[4]

當(dāng)高邊開關(guān)關(guān)斷時(shí)，它會(huì)使電流流入電平漂移電路，為ldmos1電容充電。該電流從高壓母線流過功率器件和自舉電容器。另一方面，當(dāng)高邊開關(guān)接通時(shí)，會(huì)使電流從VCC流經(jīng)自舉二極管進(jìn)入電平漂移電路。

Vsw是軌道電壓

Qls是電平漂移電路的基板電荷

Vboot是高邊偏置電壓

f是工作頻率

4. P井電容的充放電損耗[4]

在半橋式功率電路中，每當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)在軌道和接地電平之間擺動(dòng)時(shí)，井電容就會(huì)被充電和放電。這充電電流由高壓軌提供。這電流的放電路徑是流經(jīng)低邊器件和epi電阻。大部分損耗發(fā)生在高低邊驅(qū)動(dòng)器之外，因?yàn)閑pi電阻比內(nèi)部器件電阻小得多。因此，這些損耗不計(jì)入高低驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的損耗。

Vsw是軌道電壓

QCwell 是開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電容井的基板電荷

f是工作頻率

5. 總功率損耗

驅(qū)動(dòng)器的總功率損耗為驅(qū)動(dòng)損耗、靜態(tài)損耗和電平漂移損耗之和。這里不考慮由于井電容Cwell的充放電造成的損耗，因?yàn)榇蟛糠謸p耗都在MOSFET內(nèi)部，而不在驅(qū)動(dòng)器。但這些損耗會(huì)影響系統(tǒng)能效。

6. 結(jié)溫升高

Tj是結(jié)溫

RθJA 是熱阻

P total是器件的總功率損耗

與競(jìng)爭(zhēng)器件的對(duì)比

我們選擇了兩款競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件用作比較，這兩款器件是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的器件，與NCP51530一樣用于類似的應(yīng)用并采用與NCP51530相同的封裝。都與NCP51530一樣采用相同的有源鉗位反激EVB裝置進(jìn)行測(cè)試。在完全相同的條件下，對(duì)這三款驅(qū)動(dòng)IC的熱數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩兩比較，并分別比較了采用這三款驅(qū)動(dòng)IC的ACF板的能效。

熱結(jié)果

NCP1568在所有條件下使用專有的變頻算法實(shí)現(xiàn)ZVS。如上所述，在相同的負(fù)載條件下，這3款驅(qū)動(dòng)器的不同傳播延遲導(dǎo)致不同的工作頻率。為了公平的比較，在對(duì)比這3款器件的熱性能時(shí)不用此算法。EVB被配置為在425千赫的恒定頻率下運(yùn)行。在115 VAC輸入和1A輸出負(fù)載下，采集這三款器件的熱數(shù)據(jù)。

表1顯示了ACF EVB中驅(qū)動(dòng)器的最高溫度和最低溫度。圖3、圖4和圖5分別顯示了在應(yīng)用中運(yùn)行的NCP51530、競(jìng)爭(zhēng)器件1和競(jìng)爭(zhēng)器件2的熱圖像。從熱圖像中可以看出，NCP 51530比兩款行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)器件的散熱性更好。在425 kHz的工作頻率下，NCP51530溫度僅為50°C左右，競(jìng)爭(zhēng)器件1和2的溫度超過90°C，在更高的工作頻率下性能差異將更加明顯。這是因?yàn)殡娖狡茡p耗是高低邊驅(qū)動(dòng)損耗機(jī)制中最重要的損耗機(jī)制之一。

NCP 51530的極佳的熱性能使它能用于高密度板。這一結(jié)果再次說明NCP51530是用于高頻應(yīng)用的行業(yè)性能最好的高低邊驅(qū)動(dòng)器。

表1 三款器件在ACF EVB中的溫度數(shù)據(jù)

圖3 ACF采用NCP51530 - 熱圖像

圖4 ACF EVB采用競(jìng)爭(zhēng)器件1- 熱圖像

圖5 ACF EVB采用競(jìng)爭(zhēng)器件2- 熱圖像

能效比較：

我們采用ZVS算法采集了上述三款驅(qū)動(dòng)器的ACF板在115 VAC、230 VAC輸入和4個(gè)負(fù)載點(diǎn)(5 A、1 A、1.5 A和2 A) 的能效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表2、圖7和圖8。

NCP51530與競(jìng)爭(zhēng)器件在40W負(fù)載下的能效差超過1%，在更低負(fù)載下的能效差超過2%。圖7和圖8很好地證實(shí)了這。在更低的負(fù)載點(diǎn)，NCP1568工作在更高的頻率，如上所示，在較高的頻率下，NCP51530和競(jìng)爭(zhēng)器件之間的損耗差更大。因此在ACF EVB中，NCP 51530的性能在更低負(fù)載下比更高負(fù)載下還要好。

這是由于電平漂移和C井充放電損耗降低直接使能效得以提高。而降低電平漂移損耗的影響可直接在熱數(shù)據(jù)中看到，電平漂移和C井充放電損耗的綜合影響提高了系統(tǒng)的能效。

表2 - 115 VAC能效數(shù)據(jù)

表3-230 VAC能效數(shù)據(jù)

競(jìng)爭(zhēng)器件

圖6 115 VAC輸入，NCP51530對(duì)比競(jìng)爭(zhēng)器件的能效

競(jìng)爭(zhēng)器件

圖7 230 VAC輸入，NCP51530對(duì)比競(jìng)爭(zhēng)器件的能效

總結(jié)：

熱數(shù)據(jù)和能效數(shù)據(jù)表明，NCP51530的性能比兩款行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的器件好得多。在熱數(shù)據(jù)比較中，在相同的線性和負(fù)載條件下，NCP51530的最高溫度為50°C，而競(jìng)爭(zhēng)器件的溫度超過90°C。在滿載條件下，使用NCP51530的ACF板比使用兩款競(jìng)爭(zhēng)器件的ACF板能效高約1%。NCP51530還具有行業(yè)最快的傳播延遲，從而優(yōu)化了ACF的運(yùn)行。

結(jié)果表明，NCP51530是適用于高頻應(yīng)用的高性能器件。頻率越高，使變壓器越小，因此設(shè)計(jì)的電源板密度越高。而且NCP51530極佳的熱性能使它能用于高密度板，而不增加板的熱信號(hào)。

NCP51530支持許多高頻拓?fù)洌@些高頻拓?fù)湓缜靶枰嘿F的驅(qū)動(dòng)方案(脈沖變壓器)。因此，這是一款變革的器件，有助于向一個(gè)目前由于缺乏高效的高邊驅(qū)動(dòng)器而擱置的市場(chǎng)推出高頻拓?fù)浼俺呙芏仍O(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] NCP51530 ON Semiconductor,

[2] NCP1568 ON Semiconductor, ?id=NCP1568

[3] NCP1568 EVB, ?id=NCP1568PD60WGEVB

[4] AN-978, International Rectifier, https://www.infineon.com/dgdl/an-978.pdf?fileId=5546d462533600a40153559f7cf21200