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采用高效率架构 实现轻薄短小的充电装置

2021/10/07 - DIGITIMES企划

近年来消费者期望拥有轻薄短小的充电装置,所以小体积、高功率密度的电源设备,已经成为市场的主流,而第三代半导体氮化镓(GaN)开关元件,由於适用於高频操作,能够缩小磁性元件的体积,因此GaN元件已被大量使用於小型化充电设备。另外,由於高效率架构能够降低整体零件的温度,对於小体积电源设计有极大助益。

荷兰商包尔英特台湾分公司资深技术应用经理林文明在「可在快充应用中实现最高功率密度的高频有源箝位反激(ACF)解决方案」演讲中,便由此切入,阐述说明因应这一波市场趋势,PI开发出结合InnoSwitch4-CZ和ClampZero架构的产品,适合小体积高频应用。

段标:增加有源钳位开关,提升转换效率

一般来说,传统高频反激式(flyback)开关电源透过RCD吸收电路,电容储存变压器漏感能量,并通过电阻消耗,限制初级开关上的电压。但是随着频率的提升,吸收回路所损耗的能量和开关损耗越来越大,损耗的增加,降低了充电器的效率,且增加发热,使得充电器的小型化受到限制。

针对此问题,PI藉由增加有源钳位开关,与钳位电容串联的结构去取代传统反激式电路中的RCD吸收电路,透过回收变压器漏感能量至输出端,提升转换效率,还可以实现初级开关的零电压开关。也就是说,有源钳位的加入,可在减小开关损耗的同时提高开关频率,进而减小变压器的体积,实现高效率高功率密度的充电器设计。

段标:InnoSwitch4-CZ+ClampZero,结合PowiGaN技术

基於上述架构,Power Integrations已推出 InnoSwitch4-CZ 系列的高频率、零电压切换(ZVS)反激式切换开关IC。InnoSwitch4-CZ装置结合采用Power Integrations PowiGaN技术的750V主开关和高频主动箝位反激式控制器,进而提供适用於手机、平板电脑和NB的全新超小型充电器。PowiGaN切换开关与主动箝位解决方案ClampZero的结合使用,可实现高效和较小型的设计。

InnoSwitch4-CZ系列在一个小型InSOP-24D封装中整合了750V切换开关、一次侧和二次侧控制器、ClampZero界面、同步整流和安全额定回授。高达140 kHz 的稳态切换频率可实现变压器尺寸最小化,进而进一步提高功率密度。

段标:提供高达95%的效率,缩小尺寸

与较早的主动箝位反激式相比,InnoSwitch4-CZ和ClampZero的组合,透过降低开关损耗和将浪费掉的漏感能量再利用,可提供高达95%的效率,并在线路电压,系统负载和输出电压变化时保持非常高的效率。新增加的ClampZero芯片内部整合了有源钳位开关用於回收漏感能量,内部整合高侧开关及自偏置驱动控制器,可从低侧连接到InnoSwitch4-CZ主控制器,接收控制信号。

值得一提的,整合氮化镓开关的InnoSwitch4-CZ,可实现高功率密度、无需散热片、最高输出功率达110W的反激设计。综合种种特性,InnoSwitch4-CZ和ClampZero可实现高度灵活的有源箝位反激(ACF)解决方案,而开关损耗的降低,可以使用更高的开关频率,进一步减小变压器尺寸和PCB面积。

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图说:荷兰商包尔英特台湾分公司资深技术应用经理林文明指出,InnoSwitch4-CZ和ClampZero的组合,可在减小开关损耗的同时,提高开关频率。(DIGITIMES)