TI - 为100W USB电力输送适配器提供超高功率密度

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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。