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QR、ACF快充电源架构解析|快充电源系列汽车颈枕

文章来源:雨润机械网  |  2022-09-26

QR、ACF快充电源架构解析|快充电源系列

电子发烧友网报道(文/李诚)近年来手机产业发展得如此迅速,随着手机功能的增加,系统功耗也会有所提升,市场对大功率的充电器需求也愈发强烈。如果继续使用传统的电源架构提升充电功率,那么就会遇到充电器体积增加的问题。充电器体积增加对于此类便携式产品来说,并不是一个值得长期发展的方向。

那如何才能够在体积变化不大的情况下提升充电功率呢?可以通过降低开关损耗、提高封装热性能、采用新型的电源架构的方式提升充电器的功率密度。接下来我们来聊一聊关于快充电源架构的那些事。

快充电源架构分类

目前,在手机快充适配器中使用较多的电源架构主要有QR和ACF。去年7月,有相关媒体对131款氮化镓快充进行拆解后发现,QR电源架构的使用频率最高,占比达到了87%,ACF电源架构占比为5%。

QR电源架构解析

QR与ACF同属于反激式开关电路,其不同之处在于钳位电路的不同。QR为准谐振反激电路,其具有结构简单、容易控制、成本低等优点,但在提高功率密度方面并不是很突出,多在20W至65W的电源架构中使用。其中,安森美的NCP1342是一款极具代表性的QR架构芯片。

QR电路拓扑 图源:氮化镓系统

QR准谐振反激电路中的准谐振指是,电路能够达到谐振所需的基本条件,但是又与谐振所需的条件不完全一致的一种谐振方式。QR电路主要是通过在电路中加入电感或电容,吸收开关电路所产生的开关噪音,使得开关两端的电压、电流呈正弦波规律性的变化,同时还能使得功率开关管在零电压或零电流的情况下完成开关转换,进而将开关损耗降至最低,实现高效地传输。

上图中变压器旁的RCD电路主要起到钳位限制作用,避免以电流、电压应力过大或变压器的尖峰造成开关管的击穿。当开关管的VDS大于VIN时,吸收电路中的二极管会导通,此时变压器的寄生漏感,就会通过吸收电路中的电阻进行释放,同时也会为电容进行充电,电容所吸收到的电能最终也会通过电阻以热量的方式释放。因此快充设备在使用QR拓扑时首先要考虑好散热的问题。

能量以热的方式消散,也是意味着能量损耗的增加,系统效率的降低,那么这里的损耗是否可以避免,该怎么做呢?为解决这一问题就有了接下来要介绍的ACF电源架构。

ACF电源架构解析

ACF全称为有源钳位电路,为尽可能地避免与QR架构一样,能量以热的方式损耗,ACF将钳位电路的电阻和二极管替换成MOSFET,同时还将钳位电路中电容所吸收到的尖峰能量,反馈到输入端(相当于能量回收),进而提升系统的高效性。

ACF电路拓扑

ACF是一项新的电源技术,也可以算是QR的进阶架构,继承了QR结构简单、设计成本低等诸多优点,同时,通过功率管软开关的方式,极大地降低了功率器件的开关损耗,提升系统的转换效率,并且该电源架构还能够支持更高的开关频率,高效的氮化镓功率器件,也能在这一的电源火龙果饲料机械架构中得到充分的发挥,有利于终端应用的小型化和提升功率密度。在电路设计过程中,钳位电路的电容可以适当的增大,电容的增大有利于减小VDS的尖峰。但这一操作在QR架构中并不适用,增大QR的钳位电路电容会导致功耗的增加。

ACF的几种工作模式 图源:PI

在实际应用中,ACF共有4种工作模式,当主电路的MOSFET导通,钳位电路的MOSFET关断时,初级侧的电感和漏感将会储存能量;当主电路和钳位电路的MOSFET同时关断时,VDS的电压会随之升高,当VDS=VIN+VOR时,漏感内的能量将会被钳位电路的电容吸收;当主电路的MOSFET关断,钳位电路的MOSFET导通时,钳位电容内所储存的能量会与漏感进行振荡,并输入次级端,以此完成能量的回收。还有另外一种情况,当主电路前处理液和钳位电路的MOSFET同时关断时,主电路MOSFET的VDS会持续地降低,当VDS降至0或趋近于0时,主电路的MOSFET会自动导通,实现零电压启动的效果。

谈到ACF架构,必须提到的一点是ACF电源架构对控制器有着极高的要求,高性能的控制器芯片才能充分地展现出ACF的性能。在主控芯片代表方面有Semiconductor集成度较高的SZ1130,以及TI经过迭代优化的UCC28782。

结语

从电路拓扑来看,QR和ACF的差别并不大,而且QR更具成本优势,但从系统转换效率以及整体性能来看,ACF不仅可以实现初级侧主开营口关管的零电压启动,还能把QR以热量释放的电能回收,将系统效率最大化。对控制设计成本有所限制的可以选择QR,追求高转换效率、高功率密度的可以选择ACF。

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