利用氮化镓芯片组实现高效率、超紧凑的反激式电源
作者：chris lee，power integrations产品营销总监
目前市面上出现了一个新的芯片组，它由具有耐用的750v氮化镓（gan）初级侧开关的反激式ic方案与创新的高频有源钳位方案组合而成，能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计出额定功率高达110w的新型超紧凑充电器。此芯片组来自power integrations，包含内部集成powigan™开关的innoswitch™4-cz零电压开关（zvs）反激式控制器和提供有源钳位解决方案的clampzero™产品系列。这些新ic可用于设计效率高达95%且在不同输入电压条件下保持恒定的反激式电源。
这种innoswitch4-cz/clampzero组合为反激式电源设计带来了耳目一新的新性能。由于变压器中存在初级漏感，初级侧需要有源钳位电路。当初级侧开关关断时，漏感换向会导致电压过冲，从而损坏mosfet。一种常见的解决方案是使用无源电阻-电容-二极管（rcd）钳位来保护mosfet（见图1）。钳位将漏感能量转移到钳位电容中，并在电阻中以热量的形式耗散。rcd钳位会降低反激效率，但可为mosfet提供保护。
图1. 无源初级钳位rcd解决方案需要耗散大量的热量并且会限制
反激式电源的效率
在每个开关周期中，钳位中的能量都会损失。这迫使设计者限制最大开关频率，而这又需要使用更大的变压器。因此，无源钳位解决方案会降低反激效率或导致电源体积更大和/或温度更高。更有效的方法是用有源钳位代替无源rcd网络。
有源钳位
有源钳位不消耗能量，而是再循环漏感能量，从而提高效率并减少热量产生。在有源钳位设计中，rcd缓冲器中的电阻由开关代替。如果使用clampzero，开关则是powigan器件（见图2）。初级开关关断后，次级控制指示clampzero开关开通，并在初级开关开通前将钳位电容储能传输至次级。再循环钳位电路使得漏感电流得以换向，还可确保初级开关上的电压在其开通前为零（zvs）。
图2. innoswitch4-cz/clampzero反激方案
在传统的有源钳位设计中，初级mosfet和有源钳位开关以互补方式进行工作（因此这些钳位电路被称为“互补模式有源钳位”电路）。在这种工作模式下，变换器只能工作于非连续导通模式或临界导通模式，不能工作于连续导通模式。当需要宽输出电压范围的设计（如usb pd和pps充电器）时，这对设计者来说是一个挑战，导致设计出电源在高输入电压下的导通必须非常不连续。然而，innoswitch4-cz/clampzero芯片组克服了这个限制。
innoswith4-cz和clampzero
innoswitch4-cz和clampzero ic芯片组采用复杂、非对称的非互补有源钳位控制方法，实现智能的零电压开关，同时支持非连续和连续导通工作模式，可提高设计灵活性，并在所有工作条件下实现效率最大化。新型反激式开关ic具有优异恒压/恒流精度，不受外围元件参数公差的影响，并且在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，其空载功耗小于20mw。
innoswitch4-cz产品系列采用薄型insop™-24d封装，同时集成了750v开关、初级和次级控制器、clampzero接口、同步整流以及符合安全标准的反馈电路。高达140khz的稳态满载开关频率降低了变压器尺寸，进一步提高功率密度。
innoswitch4-cz/clampzero芯片组适合于高效、紧凑的usb pd适配器、高密度反激式ac/dc电源和高达110w的高效恒压/恒流电源。innoswitch4-cz ic支持可变输出电压和电流特性，并具有完善的保护功能，包括用于输出过压和欠压保护的自动重启动或锁存故障响应方式、输入欠压保护以及锁存或迟滞过温保护。
设计范例
设计者可以将innoswitch4-cz和clampzero ic与power integrations之前推出的mine-cap™ ic产品搭配使用，以设计出超紧凑型反激电源。mine-cap是对innoswitch4-cz和clampzero ic的自然补充；它可大幅缩小输入大容量电容的尺寸，而不会影响输出纹波、工作效率且无需重新设计变压器。
与传统技术（如极高开关频率工作）相比，mine-cap可实现同等或更大的整体电源尺寸缩小，同时可避免与极高频设计相关的复杂emi滤波和变压器/钳位耗散增加的挑战。mine-cap还能精确地管理交流上电时的浪涌电流，从而无需使用功耗较大的ntc或大型慢熔保险丝。
power integrations推出的der-928设计范例是一款适用于手机和笔记本电脑的超紧凑型60w usb pd 3.0充电器。设计特色如下：
·使用了具有高压powigan开关的innoswitch4-cz有源钳位反激式开关ic （inn4073c）
·使用了clampzero有源钳位ic （cz1062m）
·使用了mine-cap大电容小型化ic （min1072m）
·输入：90vac - 265vac
·usb-c pd输出：5v/3a；9v/3a；15v/3a；20v/3a
图3. der-928设计范例：使用innoswitch4-cz、clampzero和mine-cap芯片组的60w超小型usb pd充电器，体积仅有24.4立方厘米（44平方毫米 x 高12.6毫米）
在上述设计中，用130µf输入电容替换100µf大电容可将峰值功率提高到90w。其他性能特性包括：
·轻松符合doe6和coc v5 2016能效标准
·提供输出过压和过流保护
·内部集成热关断保护特性
·空载输入功率《60mw，微控制器功耗为20mw
·具有高功率密度的紧凑设计：30.3w/in3，不含外壳（即，60w/1.77in x 1.77in x 0.63in）
innoswitch4-cz/clampzero解决方案所包含的芯片组可提供65w至110w的输出功率（见表1）。它们可用于适配器或敞开式设计，支持85-264vac输入电压，也可通过添加功率因数校正（pfc）前端电路支持385vdc工作。
表1. innoswitch4-cz和clampzero产品系列
总结
power integrations的innoswitch4-cz/clampzero芯片组使设计者能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计高达110w的超高密度充电器，这些设计在以前是无法实现的。innoswitch4-cz ic可提供可变输出电压及恒流特性，非常适合于高效紧凑型usb-pd适配器和高效恒压/恒流电源。它们在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，空载功耗小于30mw，并且可提供高达95%的
如何使用CCG3PA控制器设计Type-C充电器和移动电源?
如何更加高效的提升存储系统性能？
Mophie发布三合一充电站 支持多种接口
可制造性分析对印刷电路板有何意义
华为P10闪存门最新消息：华为P10闪存门背后的华为Mate9保时捷版又怎样？华为Mate9保时捷版是UFS内存嘛？
利用氮化镓芯片组实现高效率、超紧凑的反激式电源
心率监视手表的制作
如何配置plc硬件？
俄罗斯全新苏-57战机出世，将与美国F-22猛禽战机一决高下
9项数据揭示AI未来发展趋势
华为麒麟980真能超过苹果A12吗？
非洲猪瘟pcr检测仪器价格是多少？
一加5什么时候上市？一加5最新消息：一加5曝光海报质量堪忧，15号发布也是假的？
智能微电网解决方案
什么是区块链技术_区块链技术解析
【RTT大赛作品连载】AB32VG1开箱、搭建环境、演示、点灯
中国的MEMS行业发展现状解析
将3D打印专利技术应用于实体器官领域之中
悍马或将实现电动化 通用汽车恐任重道远
开放市场和P2P协议将如何影响区块链市场
目前市面上出现了一个新的芯片组，它由具有耐用的750v氮化镓（gan）初级侧开关的反激式ic方案与创新的高频有源钳位方案组合而成，能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计出额定功率高达110w的新型超紧凑充电器。此芯片组来自power integrations，包含内部集成powigan™开关的innoswitch™4-cz零电压开关（zvs）反激式控制器和提供有源钳位解决方案的clampzero™产品系列。这些新ic可用于设计效率高达95%且在不同输入电压条件下保持恒定的反激式电源。
这种innoswitch4-cz/clampzero组合为反激式电源设计带来了耳目一新的新性能。由于变压器中存在初级漏感，初级侧需要有源钳位电路。当初级侧开关关断时，漏感换向会导致电压过冲，从而损坏mosfet。一种常见的解决方案是使用无源电阻-电容-二极管（rcd）钳位来保护mosfet（见图1）。钳位将漏感能量转移到钳位电容中，并在电阻中以热量的形式耗散。rcd钳位会降低反激效率，但可为mosfet提供保护。
图1. 无源初级钳位rcd解决方案需要耗散大量的热量并且会限制
反激式电源的效率
在每个开关周期中，钳位中的能量都会损失。这迫使设计者限制最大开关频率，而这又需要使用更大的变压器。因此，无源钳位解决方案会降低反激效率或导致电源体积更大和/或温度更高。更有效的方法是用有源钳位代替无源rcd网络。
有源钳位
有源钳位不消耗能量，而是再循环漏感能量，从而提高效率并减少热量产生。在有源钳位设计中，rcd缓冲器中的电阻由开关代替。如果使用clampzero，开关则是powigan器件（见图2）。初级开关关断后，次级控制指示clampzero开关开通，并在初级开关开通前将钳位电容储能传输至次级。再循环钳位电路使得漏感电流得以换向，还可确保初级开关上的电压在其开通前为零（zvs）。
图2. innoswitch4-cz/clampzero反激方案
在传统的有源钳位设计中，初级mosfet和有源钳位开关以互补方式进行工作（因此这些钳位电路被称为“互补模式有源钳位”电路）。在这种工作模式下，变换器只能工作于非连续导通模式或临界导通模式，不能工作于连续导通模式。当需要宽输出电压范围的设计（如usb pd和pps充电器）时，这对设计者来说是一个挑战，导致设计出电源在高输入电压下的导通必须非常不连续。然而，innoswitch4-cz/clampzero芯片组克服了这个限制。
innoswith4-cz和clampzero
innoswitch4-cz和clampzero ic芯片组采用复杂、非对称的非互补有源钳位控制方法，实现智能的零电压开关，同时支持非连续和连续导通工作模式，可提高设计灵活性，并在所有工作条件下实现效率最大化。新型反激式开关ic具有优异恒压/恒流精度，不受外围元件参数公差的影响，并且在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，其空载功耗小于20mw。
innoswitch4-cz产品系列采用薄型insop™-24d封装，同时集成了750v开关、初级和次级控制器、clampzero接口、同步整流以及符合安全标准的反馈电路。高达140khz的稳态满载开关频率降低了变压器尺寸，进一步提高功率密度。
innoswitch4-cz/clampzero芯片组适合于高效、紧凑的usb pd适配器、高密度反激式ac/dc电源和高达110w的高效恒压/恒流电源。innoswitch4-cz ic支持可变输出电压和电流特性，并具有完善的保护功能，包括用于输出过压和欠压保护的自动重启动或锁存故障响应方式、输入欠压保护以及锁存或迟滞过温保护。
设计范例
设计者可以将innoswitch4-cz和clampzero ic与power integrations之前推出的mine-cap™ ic产品搭配使用，以设计出超紧凑型反激电源。mine-cap是对innoswitch4-cz和clampzero ic的自然补充；它可大幅缩小输入大容量电容的尺寸，而不会影响输出纹波、工作效率且无需重新设计变压器。
与传统技术（如极高开关频率工作）相比，mine-cap可实现同等或更大的整体电源尺寸缩小，同时可避免与极高频设计相关的复杂emi滤波和变压器/钳位耗散增加的挑战。mine-cap还能精确地管理交流上电时的浪涌电流，从而无需使用功耗较大的ntc或大型慢熔保险丝。
power integrations推出的der-928设计范例是一款适用于手机和笔记本电脑的超紧凑型60w usb pd 3.0充电器。设计特色如下：
·使用了具有高压powigan开关的innoswitch4-cz有源钳位反激式开关ic （inn4073c）
·使用了clampzero有源钳位ic （cz1062m）
·使用了mine-cap大电容小型化ic （min1072m）
·输入：90vac - 265vac
·usb-c pd输出：5v/3a；9v/3a；15v/3a；20v/3a
图3. der-928设计范例：使用innoswitch4-cz、clampzero和mine-cap芯片组的60w超小型usb pd充电器，体积仅有24.4立方厘米（44平方毫米 x 高12.6毫米）
在上述设计中，用130µf输入电容替换100µf大电容可将峰值功率提高到90w。其他性能特性包括：
·轻松符合doe6和coc v5 2016能效标准
·提供输出过压和过流保护
·内部集成热关断保护特性
·空载输入功率《60mw，微控制器功耗为20mw
·具有高功率密度的紧凑设计：30.3w/in3，不含外壳（即，60w/1.77in x 1.77in x 0.63in）
innoswitch4-cz/clampzero解决方案所包含的芯片组可提供65w至110w的输出功率（见表1）。它们可用于适配器或敞开式设计，支持85-264vac输入电压，也可通过添加功率因数校正（pfc）前端电路支持385vdc工作。
表1. innoswitch4-cz和clampzero产品系列
总结
power integrations的innoswitch4-cz/clampzero芯片组使设计者能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计高达110w的超高密度充电器，这些设计在以前是无法实现的。innoswitch4-cz ic可提供可变输出电压及恒流特性，非常适合于高效紧凑型usb-pd适配器和高效恒压/恒流电源。它们在提供输入电压检测等安全及保护功能的情况下，空载功耗小于30mw，并且可提供高达95%的
如何使用CCG3PA控制器设计Type-C充电器和移动电源?
如何更加高效的提升存储系统性能？
Mophie发布三合一充电站 支持多种接口
可制造性分析对印刷电路板有何意义
华为P10闪存门最新消息：华为P10闪存门背后的华为Mate9保时捷版又怎样？华为Mate9保时捷版是UFS内存嘛？
利用氮化镓芯片组实现高效率、超紧凑的反激式电源
心率监视手表的制作
如何配置plc硬件？
俄罗斯全新苏-57战机出世，将与美国F-22猛禽战机一决高下
9项数据揭示AI未来发展趋势
华为麒麟980真能超过苹果A12吗？
非洲猪瘟pcr检测仪器价格是多少？
一加5什么时候上市？一加5最新消息：一加5曝光海报质量堪忧，15号发布也是假的？
智能微电网解决方案
什么是区块链技术_区块链技术解析
【RTT大赛作品连载】AB32VG1开箱、搭建环境、演示、点灯
中国的MEMS行业发展现状解析
将3D打印专利技术应用于实体器官领域之中
悍马或将实现电动化 通用汽车恐任重道远
开放市场和P2P协议将如何影响区块链市场