談到可攜式裝置,電源轉換器一直是個麻煩。它們的大小、能效水準和功率輸出不足,在某種程度上削弱了它們所支援的裝置外形持續減小的可能性,進而影響可攜性。

現在,USB供電(power delivery;PD)透過單一電纜提供達100W的電力和數據傳輸能力,這一便利代表USB PD正在成為中小型裝置首選的充電方式。然而,採用USB PD的一個挑戰,是以更高的功率水準提供不同的輸出電壓,以滿足人們迫切需要的快速充電,而不會最終用一個能效低、成本高和笨重的轉換器。

運用寬能隙半導體(wide-bandgap semiconductors),如氮化鎵(GaN)功率元件,是提高轉換器能效與縮小其大小的一種潛在方法,但這是該領域的一項新興技術,而且目前相對昂貴。作為另一種選擇,在拓撲方面的進步,如主動鉗位反馳(active clamp flyback),使用標準的超接合面(super junction)MOSFET,支援設計人員能運用基於已證實的技術,同時推進轉換器設計。

我們生活在一個越來越頻繁移動的世界,隨身攜帶智慧型手機、筆記型電腦與平板電腦等多種裝置,以及越來越多的穿戴式裝置,用於健康監測與其他應用。製造商投入大量研發資金,以滿足消費者的需求,包括增加功能和縮小尺寸/更好的攜帶性。

旅行時,人們開始意識到,雖然製造商在裝置本身的小型化方面取得巨大的進步,但所需的電源轉換器/充電器卻有些落後,與裝置相比可能較笨重。這一點在旅行時尤為明顯,常需要多個充電器來滿足不同裝置的電壓與連接器(connector)需求。

顯然,需要某種形式的標準化,使充電具有共同性,減少必須攜帶的充電器數量,以及減少每年丟棄的大量充電器所造成的電子廢棄物。

USB 1.1額定功率為2.5W(5V,500mA),USB 3.0將其提高到4.5W(5V,900mA),但這種功率能力僅適用於小型裝置,如智慧型手機。USB PD規範於2012年由USB Promoters Group發佈,支援達100W的電力傳輸,進而支援為更大的裝置如筆記型電腦和顯示器供電,以及為行動裝置更快速充電。改變輸出電壓的能力也增加了它的通用性,許多內建於標準的精密功能,包括雙向供電(bidirectional power)——支援為電纜任意一端的裝置供電,與支援同時在同一電纜上傳輸數據與電力的快速角色交換。

當USB PD被首次發佈時,它基於六個電源配置檔,這些配置檔定義可傳輸的電壓與電流。然而,USB PD 2.0刪除配置檔,並支援採用一種更靈活的方法,使電源可以支援從0.5W~100W的任何需求。

雖然USB PD提供的靈活性可能會減少所需的充電器數,但並不一定會減少單個充電器的大小,這給設計人員帶來挑戰。電源轉換器不僅必須與USB PD相容,還必須以合理的成本增加功率密度。

實現這目標的途徑已經相當成熟,電源工程師直覺地意識到,提高能效是實現更高功率密度的關鍵。更高效的設計產生較少的餘熱,說明可透過更小的表面積來實現必要的消耗。為了提高能效,工程師們尋求高效的拓撲與改良元件,特別是關鍵的開關元件,如果開關元件具有較低的動態損耗,則可以提高開關頻率,進而減小如磁性元件等笨重元件的尺寸。

目前重點關注的一個領域是寬能隙元件,如GaN FET,在低損耗、高溫工作與快速開關頻率方面提供許多優勢,但裝置仍較新且相對昂貴。此外,因還未經長期使用證實,因此,若要實現相當的結果,工程師們更願意依賴經過試驗和測試的矽基技術(silicon-based technology)。

一種新興的解決現代電源轉換器需求的拓撲結構是主動鉗位反馳。其使用可變頻率,使零電壓開關(zero voltage switching;ZVS)的超接合面FET跨越多個負載和線性條件。可採用安森美半導體新的NCP1568 AC-DC ACF脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)積體電路(IC)實現。將這一新元件與新的NCP51530高性能2A、700 V半橋驅動器結合,為工程師提供一個平台,為今後的電源轉換器設計奠定基礎。

20190201TA31P1 圖1 NCP1568 ACF控制器。

PWM控制器提供智慧的電源系統,能實現超高密度和高能效的電源設計。與ACF一樣,控制器在非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode;DCM)下運作,提高輕載條件下的能效,同時待機功耗僅30mW,使設計人員能夠達到符合現代能效規範的要求,包括歐盟CoC(Certificate of Conformity)Tier 2。該設計針對實施USB PD而最佳化,同時需要盡可能最少的外部電路。

工作頻率從100kHz~1MHz,使設計人員可縮小磁性元件尺寸,功率密度是傳統反馳設計的兩倍。該方案採用SJ FET,峰值能效(peak efficiency)達93.5%,工作頻率達400kHz。半橋驅動器還可與eGaN FET一起運用,以提高開關頻率,進而更進一步提高功率密度。

PWM IC提供智慧與控制,半橋驅動器整合的高、低邊驅動器,在達700V的電壓提供兩個N通道(N-channel)功率MOSFET的高效功率開關,進而在緊湊的空間實現高性能的電源方案。半橋驅動器適用於具有較短傳播延遲(propagation delay),以及快速上升與下降時間的高頻工作,傳輸延遲(5ns)的嚴格匹配有助於提高所有應用的能效。

20190201TA31P2 圖2 60W超高密度演示板。

總結

USB PD規範很大程度上解決許多導致今天使用的許多可攜式裝置需要大量不同轉換器的挑戰。這將使設計人員可轉向專注於使轉換器更小與更高效,防止尺寸大小抵消在可攜式裝置 更便於攜帶方面的改進。

雖然想要轉向寬能隙技術如GaN,以應對功率密度挑戰,但許多人認為,在可靠性至關重要的領域是有風險的,主要原因是GaN仍然相對較新,並且尚未得到市場驗證。

安森美半導體將PWM IC與半橋驅動器搭配,透過結合一個高能效的拓撲與縮小元件大小的高頻運作,滿足當前市場的需求。雖然優勢是透過可靠與已證實的矽基超接合面FET實現,但只要成熟,該方案亦相容GaN元件。