Законодательство в области энергоэффективности требует принятия синхронных выпрямителей в автономном режиме
В этой статье рассматриваются новые требования, предъявляемые Министерством энергетики США к стандартам эффективности для внешних источников питания.
Для автономных источников питания несколько глобальных регулирующих органов предложили стандарты эффективности для дальнейшего улучшения глобальной экономии энергии, и эти стандарты становятся более жесткими по мере их развития. В частности, с недавней тенденцией внедрения USB PD, QC и других протоколов быстрой зарядки новые адаптеры для сотовых телефонов и планшетов разрабатываются на уровнях мощности выше, чем когда-либо, и производители сталкиваются со многими новыми проблемами в повышении эффективности при сохранении низкая стоимость и небольшие размеры.
С введением в феврале 2016 года нового набора требований (PDF) Министерства энергетики США (DOE), которое стало законом, стало обязательным для производителей повышать эффективность старых проектов для соответствия уровню DoE Level VI, чтобы продать их на американский рынок.
Хотя уровень VI уже является регулированием, также ожидается, что другие энергетические спецификации, которые в настоящее время применяются только добровольно, станут обязательными в самом ближайшем будущем. Например, спецификации EU CoC Tier2 имеют более строгие требования, чем уровень VI, и могут стать неотъемлемой спецификацией еще в 2018 году. Адаптеры быстрой зарядки и телекоммуникации уже используют стандарт CoC Tier2. Многие другие страны также будут постепенно следовать этим спецификациям, когда они станут эффективными.
Для однорежимных адаптеров USB PD продукты, выпускаемые или разрабатываемые, в основном - 15 Вт (5 В3А), 27 Вт (до 9 В / 3 А), 45 Вт (до 15 В / 3 А) и 60 Вт (до 20 В / 3 А) см. таблицу 1). Прямая зарядка была недавно принята в стандарте PD.
| Минимальная средняя эффективность | Уровень 6 | CoC Tier2 |
| Адаптер 15 Вт | 81, 40% | 81, 8% |
| Адаптер 30 Вт | 87% | 87, 7% |
| Адаптер 45 Вт | 87, 70% | 88, 85% |
| Переходник 60W | 88% | 89% |
Для адаптеров с быстрой зарядкой однопользовательский обратный конвертер со вторичной обратной связью по-прежнему остается самой популярной топологией в результате баланса между стоимостью и производительностью (см. Рис. 1). Помимо необходимого контроллера обратной связи на стороне первичной стороны, многие инженеры-конструкторы склонны колебаться, следует ли выбирать синхронные выпрямители обратного хода (SR) или простые диоды Шоттки в качестве переключателя вторичной стороны. Хотя довольно широко известно, что SR приносит лучшую эффективность, инженеры-разработчики должны по-прежнему учитывать эти основные вопросы: необходима ли дополнительная эффективность для продажи моего продукта, и я буду платить больше »« src = »// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles /MPS_SR_Legislation_IA_figure_1.jpg" />
Рисунок 1. Типовая блок-схема для резервного источника питания, используемого в быстрых зарядных устройствах
MPS предлагает серию контроллеров непрерывного и прерывистого режима (CCM, DCM), совместимых с SR, и недавно выпустил контроллер MP6907 и первый в отрасли идеальный диод на 100V: MP6910A.
Для любого адаптера, предназначенного для работы в CCM, чтобы минимизировать размер, вторичный ток не падает до нуля, когда первичный ток включается, поэтому очень важно отключить SR как можно скорее, чтобы предотвратить прорыв. С решением MPS VG настраивается так, чтобы поддерживать постоянный VDS MOSFET. По мере того, как ток падает во время CCM, VG водителя также падает, поэтому MOSFET работает в линейном режиме при более низком токе. Поэтому, когда напряжение меняется на обратное, драйвер отключается при низком токе с низким VG, поэтому скорость выключения очень быстрая, чтобы обеспечить безопасную работу СКК. Кроме того, время проводимости MOSFET SR максимизируется для обеспечения оптимальной эффективности. Контроллеры SR MPS также поддерживают DCM и квазирезонансный режим.
Многие контроллеры SR на рынке занимают больше времени, чтобы отключиться, вызывая высокие всплески VDS по SR MOSFET, что требует MOSFET с более высоким BV, что снижает эффективность (см. Рис. 2). Контроллеры MPS SR переключаются более плавно в тех же условиях CCM с более низким EMI.
Рисунок 2. Работа контроллера контроллера MPS SR
Подробное описание рекомендаций и руководств по управлению SRC, совместимых с MCS, см. В примечании к заявке AN077 (PDF).
На рисунке 3 ниже показано измерение эффективности на оценочной плате адаптера 12 В, 45 Вт (EVB) от MPS, которая использует контроллер HFC0500 в качестве контроллера обратного хода и сравнивает с использованием MP6907 в качестве контроллера SR для управления полевым МОП-транзистором 100 В против использования 100-вольтов, 40 А Шоттки диод. Красная кривая с SR в качестве вторичного переключателя показывает, что эффективность EVB выше, чем спецификации DoE VI, CoC Tier1 и CoC Tier2. Кривая с диодом Шоттки показывает, что эффективность примерно на 2% меньше, что означает, что средняя эффективность будет незначительно соответствовать уровню DoE VI и, безусловно, не соответствует спецификациям CoC Tier1 и Tier2.
Рисунок 3. Сравнение эффективности EVB с диодом Шоттки и SR MOSFET на адаптере 45 Вт
На рисунке 4 показано тепловое изображение как для МОП-транзистора SR, так и для диода Шоттки (обе упаковки TO220) при комнатной температуре без радиатора. МОП-транзистор SR очень эффективен при повышении температуры ~ 35 ° C, а диод Шоттки имеет температуру выше 95 ° C. На диоде радиатор почти обязателен для конструкции адаптера с закрытым кадром, что добавляет к стоимости и пространству в производстве. Прикрепление радиатора - это ручной процесс, который не связан с процессом сборки. Поэтому стоимость SR IC + FET аналогична стоимости диода + радиатора, если не ниже.
Рисунок 4. Сравнение 45W EVB
Как правило, чем меньше выходное напряжение и больший выходной ток имеет дизайн, тем выше его эффективность при использовании SR. Хотя трудно установить границу, справедливо сказать, что адаптеру сотового телефона 5V / 1A может не понадобиться SR, в то время как адаптер 5V / 3A определенно выиграет от одного. Адаптеру связи 12V / 1A может не понадобиться SR, но адаптер телекоммуникации 12V / 2.5A определенно делает. Для выходов> 50 В, SR может быть неэффективным вариантом.
Для USB PD или других адаптеров, поддерживающих протокол быстрой зарядки, действительно необходимо рассмотреть возможность использования SR в качестве вторичного коммутатора (см. Рис. 5).
Рисунок 5. Типичная блок-схема контроллера SR с MOSFET на нижней стороне
Для адаптера, который был разработан с меньшей мощностью и может использовать диод Шоттки без радиатора, заменить диод Shottky на контроллер SR, MOSFET и несколько других компонентов можно добавить в космос. Однако с идеальным диодом (контроллер SR и MOSFET, интегрированный в один и тот же пакет), пространство можно сохранить с помощью решения SR.
По сравнению с большим диодом Шоттки, который требует большой упаковки (например, TO220 или D2PAK) для рассеивания дополнительного тепла из-за лишних потерь, идеальное диодное решение может показаться компактным и малым (см. Рис. 6 по фиг.8). Идеальные диоды также доступны в пакетах TO220 для более высоких номинальных мощностей, которые могут заменить диоды Шоттки и радиатор TO220 (см. Таблицу 2). Кроме того, MPS выпустит свои SR и другие продукты IC для развития рынка прямой зарядки, поэтому, пожалуйста, ожидайте, что в будущих статьях будут рассмотрены эти решения.
| Адаптер (TA = 90 ° C) | Открытая рамка (TA = 50 ° C) | |
| MP6910A-SOIC8 | 2.5A | 4.5A |
| MP6910A-TO220 | 4A | (> 4.5A) |
Рисунок 6. Идеальный диод с источником питания ИС от выходного напряжения напрямую (> 8 В выход)
Рисунок 7. Идеальный диод с источником питания от вспомогательной обмотки (> 8В выход)
Рисунок 8. Контрольные щиты MP6907 SR (слева) и MP6910A SR Ideal Diode (справа). Оба находятся в пакетах SOIC8
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.