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TI - 为100W USB电力输送适配器提供超高功率密度

出处:德州仪器 发布于:2019-07-22 15:33:00 | 568 次阅读

  USB 电力输送(PD)标准支持通过USB进行高达100W的电力输送,该电力足以驱动笔记本电脑、显示器和DLP?电影放映机等高功率设备。
  USB PD适配器通常采用电感-电感-电容(LLC)或准谐振(QR)反激进行隔离式DC/DC转换。LLC的优势在于其支持具有软开关的功率开关,但由于其窄增益限制,并不适用于宽输出电压范围。而且,QR反激在不连续电流传导模式下工作,且在所有输出电压范围内都不能实现全软开关。此外,变压器漏感的损耗限制了实际的最大开关频率。当设计人员想要实现高功率密度和小适配器尺寸时,上述不足就给功能的实现带来了很大的限制。
  有源钳位反激(ACF)是一种可克服这些限制的新型谐振拓扑。与QR反激不同,ACF可实现软开关和漏感能量回收。临界导通模式ACF使用小型负磁化电感在整个负载范围内实现零电压开关(ZVS)。此外,输出整流器可在关断期间实现零电流开关(ZCS),这将降低整流器的反向恢复损耗,并提高电磁干扰性能。凭借这些优点,可实现高频率和高效率的适配器。
  使用德州仪器30 W/in3、93.4%效率、100 W AC/DC适配器参考设计的电路包括基于UCC28056的前端转换模式功率因数校正(PFC)电路,然后是基于UCC28780的用于隔离式DC / DC转换的ACF。图1是参考设计的详细系统框图。


  EMI滤波器和整流器
  TM-PFG功率级
  ACF功率级
  PD控制器
  SR驱动器
  UCC24612
  隔离器
  IS07710F
  ACF控制器
  UCC28780
  PFC控制器
  UCC28056
  放大器
  TLV171
  输出端口
  MOSFET
  CSD17575Q3
  图1:AC/DC适配器参考设计系统框图
  设计人员最关注的特征是无外壳的超高功率密度30 W/in3。首先,临界导通模式ACF可以实现高开关频率,使得RM8内核可用于变压器。而且,由于具有超高转换器效率,无需使用散热器,从而既节省了空间,也提高了功率密度。图2所示为AC/DC适配器参考设计电路板。


  图2:AC/DC适配器参考设计电路板
  设计师关注的另一重要特征是该设计的高效率。UCC28780实现了主开关的ZVS和次级整流器的ZCS。次级谐振配置形成初级电流波形,从而降低初级均方根(RMS)电流并显著改善同步整流器操作。氮化镓场效应晶体管用于ACF初级侧开关,以提高效率,因为它们具有较小的寄生参数。通过在5 VOUT和9 VOUT下关闭PFC级,可进一步提高效率。图3所示为参考设计的平均效率曲线。


  Vout(V)
  效率(%)
  图3:AC/DC适配器参考设计平均效率曲线
  总之,100 W AC/DC适配器参考设计为USB PD适配器提供了完整的解决方案,适用于任何100 W应用。高效率和高功率密度使该适配器具备更强大的性能且更加便携。

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关键词:TI

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