集成容性隔離助力高密度適配器設計

概述

快充需求推動了高密度適配器的蓬勃發展。在實際的適配器設計中，花樣繁多的新型開關功率器件、拓撲和控制方案不計其數。

隨著各種尖端技術的引入，適配器產品的功率密度也顯著提高。1W/cm3 已成為高密度適配器的常規標準，這至少兩倍于五年前的市場產品。然而，密度增加了，應用級別的產品設計難度也水漲船高，逐漸被推向極限。設計人員必須不斷進取，才能超越傳統解決方案的限制。

隔離要求

適配器設計中最關鍵的挑戰之一來自隔離要求。根據安全法規標準，適配器需要在原邊的高壓電路和副邊的低壓電路之間增強絕緣。在傳統解決方案中，隔離控制通常由光耦合器實現（參見圖 1）。但光耦合器僅在相對較低的帶寬下傳輸補償信號，用于輸出調節； 在這種條件之下，光耦合器無法實現原邊 MOSFET 和SR MOSFET的同步。

圖 1：基于光耦合器的傳統反激式變換器

因此，傳統方案中的SR控制只能通過監測副邊繞組電壓來實現。由于 SR MOSFET 只能在原邊 MOSFET 導通之后才能關斷，因此在連續導通模式 (CCM) 工作期間，始終存在擊穿。如果 SR MOSFET 不能足夠快地關斷，持續的擊穿可能會導致較大的反向電流和高電壓尖峰。這些高應力會導致嚴重的可靠性問題。為避免這些問題，通常建議實施布局限制并使用大型緩沖器。然而，組件尺寸的增大和功耗的增加又進一步限制了功率密度。

容性隔離解決方案

MPX2002和 MPX2003 是一種頗為有效的一體化解決方案，它將容性隔離集成到反激式和 SR 組合控制器中。 如圖 2 所示，該方案中集成的一對高壓電容器可以承受 4500VRMS 達60秒。這樣的隔離耐受電壓額定值完全能夠滿足大多數安全法規中的增強隔離要求。此外，它在高壓電容器之間建立起高速通信通道，能夠實現 SR 和原邊開關之間可靠而精確的同步。

圖 2：基于 MPX2002 或 MPX2003 的反激式變換器

如圖 3所示，在所有工作條件下，IC 的內部邏輯都能夠保證 SR柵極與原邊反激柵極之間典型的 30ns 死區時間。這極大地降低了 CCM 期間的擊穿風險，從而無需使用超大緩沖器來應對擊穿引起的高壓應力。

圖 3：MPX2002 解決方案中 SR 柵極和原邊柵極的典型波形

除了同步信號以外， MPX2002和 MPX2003 隔離電容器之間的通信還通過脈沖頻率調制 (PFM) 傳送輸出調節信號。在 PFM 期間，開關頻率(fSW)和反激變換器的峰值電流均由 PFM 信號控制，這意味著該方案無需光耦合器。另外，MPX2002 和 MPX2003 分別針對 65kHz 和 130kHz 的額定開關頻率進行了優化。因此，當采用 MPX2002 和 MPX2003 構建解決方案時，不再需要光耦合器。

無需額外組件還解決了高密度適配器的另一個關鍵挑戰：有限的布局空間。快充適配器需要更高的功率和更多的功能，這意味著更多的組件需要被塞進狹小的空間內。簡化整體解決方案、減少組件數量等特性對于空間受限應用變得至關重要。

圖 4 顯示了基于 MPX2003 設計的 40mmx40mmx25mm/65W PD 適配器。在沒有適配器的情況下，其功率密度可高達 1.63W/cm3。而且，即使在副邊添加了實現 PD 協議需要的所有組件之后，布局空間仍有富余。

集成容性隔離的解決方案還具備其他益處，即，IC 可以直接置于變壓器下方，從而縮小PCB 布局尺寸。而根據安全法規的間隙要求，傳統解決方案通常需要將除光耦合器以外的所有組件都置于遠離變壓器的位置。

圖 4：基于 MPX2003 的 65W PD 適配器設計

高度集成的反激式控制器極大地提升了效率與功率密度，具體表現在以下幾個方面：

SR 的精確時序控制消除了對超大緩沖器的需求，有利于空間受限應用

先進的 CCM 和準諧振 (QR) 混合控制方案確保了工作狀態在較寬范圍內得到優化

顯著減少的組件數量降低了 BOM、縮短了上市時間

對變壓器下方空間的有效利用減小了 PCB 尺寸

從圖 5 可以看出，對于PD協議要求的任何輸出電壓 (VOUT)，這種方案的效率都可以通過主流的能量調節閾值，并且留有足夠的裕度。即使在滿載情況下，其效率依然可觀，這無疑簡化了散熱設計。

圖 5：MPX2003 的效率曲線（65W PD 適配器設計）

結論

容性隔離的集成突破了采用光耦合器的傳統解決方案預期。而MPX2002 和 MPX2003 等反激式控制器尤以其超小尺寸、高效率和布局靈活性展現出集成解決方案的有效性。

總體而言，集成方案具備多種優勢，如 SR 和原邊開關之間更精確的同步、元件數量的減少以及更緊湊的布局等等。此外，這種解決方案還能夠實現更先進的控制方案，這進一步提高了效率與功率密度，為未來更高功率密度的適配器開發鋪平了道路。

審核編輯：湯梓紅