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安森美带来的电源适配器变革,有源钳位反激是方向

2018-11-02 21:44:34 来源:EETOP

EETOP讯:2018年10月26日,全球领先的半导体解决方案供应商安森美半导体(ON Semiconductor)在北京嘉里大酒店召开了有关USB Type C及供电(PD)方案的媒体交流会。安森美半导体模拟方案部交流-直流电源管理高级市场推广经理蒋家亮先生为与会媒体朋友介绍了安森美公司的发展概况,并结合适配器的市场趋势,重点分享了安森美半导体领先市场的超高密度USB Type-C及供电(PD)电源适配器方案。EETOP作为特邀媒体,出席此次会议。

蒋家亮,安森美半导体模拟方案部交流-直流电源管理高级市场推广经理

全球领先,客户至上

安森美半导体总部位于美国亚利桑那州菲尼克斯,整个公司于1999年从摩托罗拉分拆出来,至今已有19年的时间,截至2018年7月底,公司市值约100亿美元。从公司的营业额来看,主要分为五大重点市场,即:汽车领域、工业和医疗领域、通信和手机应用领域、消费类家电产品领域及计算领域。

从2018年第二季度的销售概况来看,刚才提到的五个主要的市场——汽车(31%)、通信(17%)、工业/医疗/航空-国防(28%)、消费(14%)和计算(10%)。根据渠道收入的划分,主要来源是代理商,约60%。其他直供的客户,比如OEM(原始设备制造商)和EMSI(电子合约制造商),大概有40%。从区域市场收入分布来看,亚太区(不包括日本)占最大的份额,约60%。其他欧美和日本共有约40%。

安森美半导体产品的覆盖性非常广,如果从顶尖功率半导体分立器件和模块半导体供应商的2017年全球市场份额排名来看,安森美半导体排全球第二,其市场使用量非常大的。在这个服务致胜的年代,安森美的成功更体现在客户至上的贴心服务上。在全球各地,他们会结合当地的区域发展及市场情况提供不同的参考设计及服务。比如美洲、欧洲这两个区域主要是前端的生产;很多制造、后端的生产基地在亚太地区。并且他们会利用自己强大、宽泛的产品,为客户提供很多不同的整体方案;也会做一些优化,提升他们的供应链和制造的网络,提高品质。而在前线部分,他们会考虑如何利用现有的资源跟客户进行沟通,多做一些客户特定的方案,为客户提供完整且具有差异化的解决方案;对于新产品的开发,会协助客户加快他们的产品上市时间和收入。

电源适配器受三大市场动力推进

需求更多的电力:传统手机,插SIM卡就可以打电话。自从USB出来后,就能和电脑连在一起,可以有数据的传输、充电的效果等。过去看到的USB第一代、第二代、第三代或者以前有micro USB,插头比较小,还不能正反插。也看到过快充架构,快充1.0、2.0、3.0,也是有限的,瓦数大概十多瓦,还不到20瓦。快充4.0最多也是二十多,三十瓦,瓦数上还是有限制。如果用USB Power Delivery(PD,供电)这种能力,就可以覆盖到100瓦,也就是一个Type-C的接口可以充100瓦的能力。

迈向采用USB C PD标准:目前市场已经在慢慢转用USB Type-C的线,因为USB Type-C能给大家带来统一,每次用手机充电也好,传输数据也好,听音响都好,都用同一根USB Type-C的线,这也是为什么USB Type-C的使用变得越来越广泛。此外,我们可以用同样USB Type-C接口的充电器充笔记本,也可以充手机,所以它的弹性非常大,非常广。这也是为什么安森美半导体会在这个部分发展一些新的电源方案,来配合USB PD的架构。

超高密度电源适配器:电源需要有一个改朝换代的机会。充电器部分,从以前非常笨重、充电非常长的充电器,到现在只需要30分钟。从手机非常耗电,还不能随身带着的充电器,到后面比较轻巧的充电器。我们也不能做很大的手机充电器,唯一追求高密度、高能效。另外我们会设功率密度参数,目前在市场可以随意看到大概10W/in3的密度。

蒋家亮介绍到:“在电源方案方面会有一些挑战,不过是我们目前就能够克服的。比如如何提高能效,尤其针对轻载的时候,因为每个充电器在使用时或在满载时,半载或者轻载时,或在待机的时候也会达到非常好的能效。因为需要跑得高的密度,热的管理也要做得好。如何做到好的散热,也是很重要的地方。假如密度做得很高,每个器件,每个元件排列都要非常紧凑、紧密,很容易受到干扰,怎样做到性能好的EMI(抗电磁干扰)的同时,保持器件数少,也是高难度的事情。做一个能够覆盖全部应用,从笔记本到手机都可以充电的电源,这才是目前看到的发展方向。”

有源钳位反激是适配器的下一个演进

传统的反激拓扑架构。开关一般有个变压器还有Mosfet。振铃是开、关的时候产生的,也会影响、产生很多高频的EMI,影响周边的东西,带来损耗。如果不想产生EMI,周边有振铃电路把它吸收掉,吸收掉就等于损耗掉,等于跑高频越多,越高频损耗越多,所以传统的反激拓扑结构有限制,不能跑到高频,就是这个原因。

假如现在用有源钳位,就是在上面多加一个Mosfet,在上面多加一个电容,但同样有吸收能量的地方。当Mosfet关的时候,全部的能量会送到电容里储起来,储起来之后会重新利用电容里的能量。当重新利用的时候,同样把Mosfet这个点的开关的电压设置为零伏,去开下边的Mosfet就等于是零伏的电压开关。这是有源钳位带来的优势。蒋家亮解释说:“怎么会做到高频,因为每一个开关的时候,都是零电压开关,等于没有损耗。关掉的时候,也可以把那些会产生EMI损耗的能量全部重新利用,把它传递到二极管,等于整个电源转换过程不会有损失,变成了既可以做高频,也可以实现低EMI,同时还会保持非常好的能效,这是有源钳位的好处。”

自适应ZVS,死区时间:总所周知,IC的特点,自适应零电压开关,频率是会变动的,随着输出电压自己变动。但IC芯片需要保证操作的时候,不会有其他事情发生。比如说5伏能够做到非常好的能效,20伏也需要做到非常好的能效。蒋家亮介绍说:“所以IC里边的机制,有一个自适应的方式,随着输出电压和负载的变化,IC会自动调整开关频率以达到一个最优化的控制,提升能效。同样我们也集成一些自适应的死区时间,能够把一个开关的操作做得非常完美,也减少其中的损耗。”

可配置的ACF/DCM转换:有源钳位(ACF)不能从零负载到满负载都是ACF状态的,如果满负载是ACF,轻载也是ACF,待机也是ACF的话,可能做不好。所以我们要把当中的一个点,就是IC会自动切换成ACF转到非连续导电模式(DCM)状态,那个时候电源就可以把轻载和待机这两个部分再热化。蒋家亮说:“我们这个IC目前最强的就是能够做到待机功耗小于30m/W,也可以做ACF模式频率返走,也可以把轻载做好。当然我们IC有内嵌启动的部分,也会有输入的欠压保护,也有所谓数字软开关的部分,从零到负载,到5伏,这个部分会非常完美,不会有一些奇怪的监控跑出来。”

安森美半导体独有的新技术:自适应死区的时间也是确保每个周期开关的时候,是比较完美的状态。IC需要将周期调到轻载、待机部分,以前反击非常困难,很难做到非常低。可能做到非常低的待机,但是可能有声音。我们可以多加静音的方式。当一个频率返走的时候,我们可以把频率从29K马上调到800赫兹,中间可以从29K变成20K或者十几K。但蒋家亮并不认可这种方式,他解释说:“安森美半导体基本上把这种中间的频率跳开。这就也是安森美半导体目前新的技术——怎么样从29K开关频率马上跑到800赫兹。 1K、2K、3K、5K、10K这些人比较容易听到的地方全部跳过,马上跑到800赫兹,也可以做到很低声音的效果。就是静音跳跃消除可闻躁声的效果。”

显著增加功率密度:目前氮化镓不是很流行,因为相对来说比较贵。所以在高密度的部分,如果能够用到普通的超结Mosfet,也能做到高密度,那就是首选的方案。同样的,在那些不同的负载,基本上会达到90%或者94%的能效,在平均能效或者10%轻载的时候,也是目前能够达到的能效指标。

安森美半导体提供领先市场的适配器方案

安森美半导体提供关键的硅器件用于有源钳位反激(ACF)设计,其中包括NCP1568有源钳位反激脉宽调制(PWM)控制器;NCP51530高性能高低边MOSFET驱动器;NCP4306次级端同步整流驱动器及SUPERFET®MOSFET,桥式二极管、二极管等。

安森美半导体电源适配器方案从多模NCP12601、高频准谐振(QR)到有源钳位反激NCP1568,其功率密度在不断增加。安森美的IC方案非常有弹性,目前安森美针对不同的应用需求,做了不同的版本,有90瓦版本的,这个大小算是比较高密度的,还有20瓦、40瓦等不同版本的,此外,针对5伏、10伏、30伏,也同样有产品方案,也可以做到差不多24、25密度的指标。

关于半桥驱动的IC。半桥驱动器很多厂商都有,安森美半导体也有,而且应该算是目前全球跑得最快的半桥驱动器。从信号到输出,这个延误只有7个纳秒,非常小。为什么安森美半导体可以做到这么短的时间?蒋家亮解释说:“安森美有新的技术可以开发这些半桥驱动,就是用这个IC配我们NCP1568,做一些高密度,跑高频,就是非常重要的参数。当然我们跟其他竞争对手也做了一些比较, IC本身的耗电量或者自己在正常驱动的时候发烫的效率来看,我们的IC做得非常好,损耗非常低。同样我们的创新能力,产品都获了媒体Top 10电源奖。”

总的说,安森美半导体的NCP1568和NCP51530适配器方案,可以提供零电压开关;非常好的切换保证;非常高密度,且有很大弹性去做不同的频率开关,从低频到高频,密度也可以随着客户的目标来实现,甚至可以结合USB供电做到100瓦的效果。除此之外,还会给客户提供一些模拟仿真的工具,让客户有预演的机会。

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