半導(dǎo)體的NCP51530是700 V高低邊驅(qū)動器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類的傳播延遲、低靜態(tài)電流和開關(guān)電流。NCP51530具有行業(yè)的電平漂移損耗，使電源能在高頻下高能效的工作。本文將對NCP 51530與行業(yè)標準的兩個器件進行比較。計算NCP 51530用于有源鉗位反激 (ACF) USB PD適配器中的損耗。然后給出NCP 51530對比兩個競爭器件用于ACF應(yīng)用中的實際熱性能。緊接著把采用NCP 51530的ACF板的能效數(shù)據(jù)與采用兩個競爭器件的ACF板的能效數(shù)據(jù)進行了比較。
　　前言
　　為了使現(xiàn)代電源更緊湊和高效，電源設(shè)計人員越來越多地選用高頻應(yīng)用。開關(guān)電源采用高頻工作可以減小變壓器的尺寸，從而增加電源的功率密度。高頻工作也有助于改善電源的電磁干擾(EMI)信號，減少EMI器件數(shù)。因此，世界各地的電源設(shè)計人員都在研究高頻應(yīng)用。
　　然而，在實現(xiàn)高頻電源方面存在一些障礙。功率開關(guān)、變壓器鐵芯材料、漏電損耗和開關(guān)損耗是阻礙大規(guī)模應(yīng)用高頻電源的一些障礙。隨著氮化鎵(GaN)/碳化硅(SiC)技術(shù)的出現(xiàn)和MOSFET技術(shù)的不斷發(fā)展，功率開關(guān)似乎開始適用于高頻電源。同樣，變壓器鐵芯材料制造商也在不懈地努力創(chuàng)新高頻鐵芯材料。
　　零電壓開關(guān)(ZVS)拓撲可以減小與功率開關(guān)相關(guān)的開關(guān)損耗。常用的ZVS拓撲如LLC、半橋轉(zhuǎn)換器、全橋轉(zhuǎn)換器、有源鉗位反激、雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器等。需要低邊、高邊驅(qū)動器來實現(xiàn)緩沖和電平位移的功能。這些器件可以驅(qū)動高邊MOSFET的門極，其源節(jié)點為動態(tài)變化的節(jié)點。
　　有與功率開關(guān)驅(qū)動器相關(guān)的固有損耗。在LLC、半/全橋轉(zhuǎn)換器等具有圖騰柱結(jié)構(gòu)的功率開關(guān)中，高邊驅(qū)動器的電平漂移損耗很大。頻率越高，這些損耗就越嚴重。
　　NCP51530特性
　　安森美半導(dǎo)體的NCP51530[1] 是700 V、高低邊驅(qū)動器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類的傳播延遲、低靜態(tài)電流和開關(guān)電流。NCP51530具有行業(yè)的電平漂移損耗。因此該器件使電源能在高頻下高能效的工作。
　　NCP51530有A/B兩個版本。NCP51530A具有典型的50 ns傳播延遲，而NCP51530B有25 ns傳播延遲。NCP51530采用SOIC8和DFN10封裝。其SOIC8封裝引腳對引腳兼容行業(yè)標準的方案。
　　NCP51530有兩個獨立的輸入引腳：HIN和LIN，使其能用于各種不同的應(yīng)用。
　　該器件還包括的特性有，在浮動輸入的情況下，邏輯仍然是界定的。驅(qū)動輸入兼容CMOS和TTL邏輯，因此它易于與模擬和數(shù)字控制器接口。NCP51530具有高、低邊驅(qū)動的欠壓鎖定功能，確保在正確的VCC和VB電壓水平上運行。NCP51530的輸出級具有3.5A/3A源電流/汲電流能力，可在10 ns內(nèi)對1 nF負載高效地充放電。
　　NCP51530有源鉗位反激應(yīng)用
　　有源鉗位反激(ACF)是經(jīng)典反激拓撲的一個變體，它實現(xiàn)ZVS是利用存儲在寄生器件中的能量，而不是通過消耗緩沖電路中的功率。有源鉗位產(chǎn)生的波形通常沒有尖峰，因此比傳統(tǒng)技術(shù)更好的抗電磁干擾(EMI)。ZVS特性支持電源轉(zhuǎn)換器在高頻工作，同時實現(xiàn)高能效。
　　安森美半導(dǎo)體的NCP1568[2]是高集成度的AC-DC 脈寬調(diào)制(PWM)控制器，用于實施有源鉗位反激拓撲。NCP 1568采用專有的變頻算法，實現(xiàn)超級結(jié)或GaN FET在各種線性、負載和輸出條件下的零電壓開關(guān)(ZVS)。ZVS特性通過提高工作頻率來提高電源轉(zhuǎn)換器的功率密度，同時實現(xiàn)高能效。
　　為了限度地減少ACF應(yīng)用中的功率損耗，當負載和輸入電壓發(fā)生變化時，工作頻率需要改變，使附加環(huán)流保持在。對于超級結(jié)FET，ZVS所需的負電流通常為?0.5A。通過調(diào)節(jié)振蕩器的頻率，直到SW節(jié)點的下降時間被調(diào)制成在線性和負載條件下的預(yù)定死區(qū)時間為止，從而以數(shù)字化方式保持負磁化電流相對恒定。在NCP1568中建立時間基準，并根據(jù)轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)ZVS所需的時間積累錯誤信號。如果開關(guān)節(jié)點的轉(zhuǎn)換速度快，且ZVS發(fā)生在基準時間之前，那么就有綽綽有余的能量快速重置節(jié)點，因此應(yīng)該降低工作頻率或減少關(guān)斷時間。如果開關(guān)節(jié)點ZVS剛好在基準時間發(fā)生，則不需要調(diào)節(jié)頻率。如果ZVS發(fā)生在基準時間后，頻率太高，需要降低以確保好的ZVS。

圖1 ACF采用NCP51530和NCP1568

　　正如預(yù)期，在具有快速傳播延遲的高邊驅(qū)動器中采用該算法，工作會更高效。具有較慢傳播延遲的驅(qū)動器使用該算法，將導(dǎo)致比更快傳播延遲驅(qū)動器更低的工作頻率，使整個系統(tǒng)不那么高能效，損耗更大。NCP 51530是業(yè)界快的高低邊驅(qū)動器，完美地實現(xiàn)這一功能。
　　使用NCP1568和NCP51530的ACF板的頂層原理圖如圖1所示。該原理圖用于60W、通用輸入、20 V輸出電源的應(yīng)用。該電源采用安森美半導(dǎo)體的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低邊驅(qū)動、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。這是變頻的，ACF工作頻率范圍從200千赫到400千赫。典型的ACF波形如圖2所示。

圖2. 有源鉗位反激模式

　　計算NCP51530的損耗
　　在這一部分中，我們使用NCP1568計算NCP51530在ACF應(yīng)用中的功率功耗。驅(qū)動器的總功率損耗可大致分為靜態(tài)功率損耗和動態(tài)功率損耗[4]。靜態(tài)功率損失是由器件運行所需的偏置電流造成的。動態(tài)損耗是由于器件的開關(guān)特性造成的。動態(tài)損耗又可分為外部FET柵的充放電損耗和電平漂移電容的充放電損耗。
　　NCP51530的總功率損耗可按以下步驟逐步計算。
　　1. 在以適當頻率開關(guān)時，器件的靜態(tài)功率損耗(不包括驅(qū)動器)。

　　IBO是高邊驅(qū)動器的工作電流
　　ICCO是低邊驅(qū)動器的工作電流
　　2. 驅(qū)動外部FET的功率損耗
　　這一損耗是由于外部FET的門極電容器的充放電造成的。因為在這個ACF應(yīng)用中，只有一個外部FET是由NCP 51530驅(qū)動的，所以我們只考慮了驅(qū)動一個MOSFET的功率損耗。
　　如果NCP51530用于驅(qū)動高、低邊FET，則必須包括兩個外部MOSFET門極的充放電功率損耗。

　　Qgs是MOSFET的柵源電荷
　　Vboot是高邊偏置電源電壓
　　f是工作頻率
　　3. 電平漂移損耗[4]
　　當高邊開關(guān)關(guān)斷時，它會使電流流入電平漂移電路，為ldmos1電容充電。該電流從高壓母線流過功率器件和自舉電容器。另一方面，當高邊開關(guān)接通時，會使電流從VCC流經(jīng)自舉二極管進入電平漂移電路。

　　Vsw是軌道電壓
　　Qls是電平漂移電路的基板電荷
　　Vboot是高邊偏置電壓
　　f是工作頻率
　　4. P井電容的充放電損耗[4]
　　在半橋式功率電路中，每當開關(guān)節(jié)點在軌道和接地電平之間擺動時，井電容就會被充電和放電。這充電電流由高壓軌提供。這電流的放電路徑是流經(jīng)低邊器件和epi電阻。大部分損耗發(fā)生在高低邊驅(qū)動器之外，因為epi電阻比內(nèi)部器件電阻小得多。因此，這些損耗不計入高低驅(qū)動器內(nèi)部的損耗。

　　Vsw是軌道電壓
　　QCwell 是開關(guān)節(jié)點的電容井的基板電荷
　　f是工作頻率
　　5. 總功率損耗
　　驅(qū)動器的總功率損耗為驅(qū)動損耗、靜態(tài)損耗和電平漂移損耗之和。這里不考慮由于井電容Cwell的充放電造成的損耗，因為大部分損耗都在MOSFET內(nèi)部，而不在驅(qū)動器。但這些損耗會影響系統(tǒng)能效。

      6. 結(jié)溫升高

　　Tj是結(jié)溫
　　RθJA  是熱阻
　　P total是器件的總功率損耗
　　與競爭器件的對比
　　我們選擇了兩款競爭對手的器件用作比較，這兩款器件是行業(yè)標準的器件，與NCP51530一樣用于類似的應(yīng)用并采用與NCP51530相同的封裝。都與NCP51530一樣采用相同的有源鉗位反激EVB裝置進行測試。在完全相同的條件下，對這三款驅(qū)動IC的熱數(shù)據(jù)進行了兩兩比較，并分別比較了采用這三款驅(qū)動IC的ACF板的能效。
　　熱結(jié)果
　　NCP1568在所有條件下使用專有的變頻算法實現(xiàn)ZVS。如上所述，在相同的負載條件下，這3款驅(qū)動器的不同傳播延遲導(dǎo)致不同的工作頻率。為了公平的比較，在對比這3款器件的熱性能時不用此算法。EVB被配置為在425千赫的恒定頻率下運行。在115 VAC輸入和1A輸出負載下，采集這三款器件的熱數(shù)據(jù)。
　　表1顯示了ACF EVB中驅(qū)動器的溫度和溫度。圖3、圖4和圖5分別顯示了在應(yīng)用中運行的NCP51530、競爭器件1和競爭器件2的熱圖像。從熱圖像中可以看出，NCP 51530比兩款行業(yè)標準的競爭器件的散熱性更好。在425 kHz的工作頻率下，NCP51530溫度僅為50°C左右，競爭器件1和2的溫度超過90°C，在更高的工作頻率下性能差異將更加明顯。這是因為電平漂移損耗是高低邊驅(qū)動損耗機制中重要的損耗機制之一。
　　NCP 51530的的熱性能使它能用于高密度板。這一結(jié)果再次說明NCP51530是用于高頻應(yīng)用的行業(yè)性能的高低邊驅(qū)動器。

表1 三款器件在ACF EVB中的溫度數(shù)據(jù)

圖3 ACF采用NCP51530 – 熱圖像

圖4 ACF EVB采用競爭器件1– 熱圖像

       圖5 ACF EVB采用競爭器件2– 熱圖像