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使用易于使用的开关模式电源 (SMPS) 矩阵简化电源设计

海阔天空的专栏 来源:Art Pini 作者:Art Pini 2025-01-25 14:39 次阅读

作者:Art Pini

投稿人:DigiKey 北美编辑

电子产品或设备的设计人员不可避免地需要合适的电源。功率器件的功率范围从几十瓦到几千瓦 (kW) 不等,要找到合适的元器件可能颇具挑战性。由于存在成千上万的元器件选项,选择并匹配合适的整流器、电源控制器、开关和栅极驱动器可能会拖慢设计进度,并因此增加成本和影响工期。

要简化这一过程,可以从可信赖的供应商的智能功率器件系列入手,并利用他们的在线工具做出最佳选择。例如,按应用、拓扑、器件和关键特性分类的开关模式电源 (SMPS) 元器件矩阵就可加快选择和设计过程。

本文将简要讨论 SMPS 设计。然后介绍 [onsemi] 的 SMPS 元器件矩阵,该矩阵将桥式整流器控制器、栅极驱动器和电源开关连接起来,使之与每种应用的功率水平兼容。还会解释关键产品的定义,并提供如何使用矩阵来简化元器件选择的示例。

SMPS 设计

考虑一个用于 USB 供电 (PD) 应用、功率水平为 100 W 的基本交流线路供电 SMPS 的关键组成部分(图 1)。电源的线路或初级侧通常需要整流器、功率因数校正 (PFC) 控制器、功率控制器、光耦合器、栅极驱动器和电源开关。次级侧通常需要同步整流器控制器 (SRC)、同步整流器 (SR) 开关、USB PD 控制器和光耦合器。

典型 100 W SMPS 的主要元器件图片(点击放大)图 1:所示为典型 100 W SMPS 的主要元器件。(图片来源:onsemi,由作者修改)

该设计的元器件与功率水平相匹配。设计人员必须选择用于 PFC 和功率控制的初级侧拓扑,以及次级侧整流器和稳压器拓扑。做好这些决定后,他们就可以选择各个元器件。

这时就可以使用 onsemi [SMPS 矩阵]来帮助选择电源元器件(图 2)。

帮助设计人员选择有源元器件的交互式 SMPS 矩阵表(点击放大)图 2:所示为交互式 SMPS 矩阵,该矩阵可帮助设计人员根据电源的功率等级和首选拓扑选择有源元器件。(图片来源:onsemi)

SMPS 矩阵根据左侧前两列中的功率水平和密度做出设计选择。最高功率水平位于顶部,向下逐行递减。功率水平为 5 W 至 3 kW 以上。功率密度是单位体积功率的量度,超高功率密度使得电源供应比高密度封装更小。除了这两种封装选择外,还有一种扁平封装。该矩阵根据功率水平设置电源电压。

矩阵中的每个功率水平条目都有一至三行与功率密度选择相对应的推荐元器件,为初级侧和次级侧拓扑提供精选元器件。标记为不适用的条目表示该条目不适用于特定的功率水平和密度。

整流器一栏列出了适用于匹配功率水平的桥式整流器元器件建议。在某些情况下,该条目是无桥式。由于图腾柱 PFC 等其他元器件取代了整流桥的功能,因此不需要整流桥。PFC 字段中的“快速路径”和“慢速路径”条目可快速识别图腾柱 PFC。这些 PFC 的慢速路径开关以线路频率工作,而快速路径开关则以更高的典型开关频率工作。

该矩阵会根据所需的功率水平建议主要拓扑。该矩阵推荐使用以下四种常见拓扑中任何一种的控制器设备:反激式(切换器)、有源箝位反激式 (ACF)、准谐振 (QR) 反激式或电感-电感-电容 (LLC)。

反激式转换器是一种隔离式电源拓扑,初级侧和次级侧之间没有直接的电气连接。当电源开关器件关闭时,耦合电感器会将能量从初级传输到次级。转换器电压控制采用固定频率的脉宽调制 (PWM) 开关。

ACF 设计采用耦合电感器的反激概念,将能量从初级传输到次级。此外,该设计还使用有源器件将耦合电感器的漏感放电或钳位到电容器上,以最大限度地减轻对 MOSFET 电源开关的压力。

QR 反激式拓扑利用电路的寄生电感和电容获得接近谐振的响应,并以最小的漏极电压打开电源开关。这种“软开关”可降低转换器的开关损耗。由此产生的开关频率并不固定,而是随负载而变化。

LLC 转换器采用全谐振响应,能够确保真正的零漏极电压开关。即使在空载条件下,该转换器也能降低开关损耗,非常适合较高的功率水平。

推荐的控制器根据特定的功率范围进行分类:最低功率水平使用切换器,中功率水平使用 QR 和 ACF,高功率水平使用 LLC 转换器。

该矩阵包括详细的 SMPS 框图,说明了十一种特定设计的元器件之间的连接,涵盖可在标记的选项卡中找到的五种不同功率水平和密度(图 3)。

包括详细 SMPS 框图的矩阵图片(点击放大)图 3:该矩阵包括十一种特定设计的详细 SMPS 框图,涵盖可在标记的选项卡中找到的五种不同功率水平和密度。(图片来源:onsemi)

一旦选择了功率水平和密度,就可以从矩阵的相应功率水平行和拓扑特定列中选择元器件。点击超链接元器件编号可打开矩阵的扩展视图,其中高亮显示的编号链接到 DigiKey 零件编号(图 4)。

原始矩阵中用于打开扩展二级矩阵(包含指向 DigiKey 零件条目的链接)的链接的图片(点击放大)图 4:点击原始矩阵中的任意超链接零件编号都会打开扩展二级矩阵(包含指向 DigiKey 零件条目的链接)。(图片来源:onsemi)

所选行和拓扑中列出的任何元器件都是兼容的。

使用矩阵

用于 USB PD 的 100 W SMPS 就是一个很好的中功率水平说明示例,该单元类似于之前在图 1 框图中所示的单元。查看该矩阵可知,70 W 至 200 W 功率水平行涵盖了所需的 100 W 电源。在“功率密度等级”列中选择“高”后,会弹出包含指向必要元器件的链接的扩展矩阵(图 5)。

概述适用于 100 W 高密度 SMPS 的元器件选择的绿色方框图片(点击放大)图 5:绿色方框概述了扩展矩阵上适用于 100 W 高密度 SMPS 的元器件选择。蓝色零件编号链接到相关的 DigiKey 产品筛选器页面。(图片来源:onsemi)

国际法规(尤其是欧盟的法规)要求在功率水平达到或超过 75 W 时使用 PFC。这里推荐的 PFC 控制器是 onsemi [NCP1623]。NCP1623 是一款小尺寸升压 PFC 控制器,最高可支持 300 W 功率,适用于快速充电电源适配器和模块化计算机电源,在这些产品中,成本效益、可靠性、高功率因数和效率是基本要求。该控制器需要一个外部桥式整流器,建议使用 onsemi [GBU6M]或 [GBU6K]。兼容的 PFC 电源开关是 onsemi NTP125N60S5H,该开关是一种快速 MOSFET,其额定最大漏源电压 (V DSS ) 为 600 V,额定最大漏极电流 (I D ) 为 22 A,额定漏源导通电阻 (R DS(ON) ) 为 125 mΩ。

推荐使用的初级侧控制器是 onsemi [NCP1343]高频 QR 反激式控制器。该控制器集成了现代 SMPS 设计所需的所有必要元器件,是 AC/DC 适配器和开放框架电源的理想选择。该控制器与额定值为 650 V DSS 、12 A I D 、260 mΩ RDS(ON) 的 [NVD260N65S3]电源开关相匹配。

onsemi [NPC4307] 是电源次级侧的同步整流驱动器。该控制器与额定值为 80 V DSS 、61 A ID 、10 mΩ R DS(ON ) 的 onsemi [NTMFSC010N08M7]MOSFET 开关结合使用时,可确保高效同步整流。

设计的最后一个重要阶段是选择 USB PD 控制器,该控制器能够管理 AC/DC 适配器或 DC/DC 端口电源稳压器次级侧的光耦合器。该矩阵建议电源输出端的 onsemi [FUSB15101] PD3.0 协议控制器(支持 USB 可编程电源 (PPS))采用额定值为 30 VDSS 和 164 A ID 的 onsemi [NTTFS4C02NTAG]N 沟道 MOSFET。其 RDS(ON) 在 10 V 时为 2.25 mΩ,在 4.5 V 时为 3.1 mΩ。

由此得到的电源可作为 onsemi [NCP1343PD100WGEVB]评估板(图 6)提供,其输出电压范围为 3.1 V 至 21 V。在输入 115 V 或 230 VAC 电压时,其平均效率为 92%。其封装尺寸为 60 x 60 x 19 mm,功率密度为 24 W/in. ^3^ 。

onsemi 100 W USB PD 基准电源的俯视图(左)和仰视图(右)的图片图 6:所示为 100 W USB PD 基准电源设计的俯视图(左)和仰视图(右),该设计基于使用 SMPS 矩阵选择的元器件。(图片来源:onsemi)

结语

onsemi SMPS 矩阵为电源元器件选择提供了一个易于使用的途径,能够确保选择的兼容关键元器件与设计的功率水平相匹配。不仅可缩短寻找零件所需的时间,而且提供规格书和报价的即时链接。

审核编辑 黄宇

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