電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠(chéng)）近年來手機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展得如此迅速，隨著手機(jī)功能的增加，系統(tǒng)功耗也會(huì)有所提升，市場(chǎng)對(duì)大功率的充電器需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的電源架構(gòu)提升充電功率，那么就會(huì)遇到充電器體積增加的問題。充電器體積增加對(duì)于此類便攜式產(chǎn)品來說，并不是一個(gè)值得長(zhǎng)期發(fā)展的方向。

那如何才能夠在體積變化不大的情況下提升充電功率呢？可以通過降低開關(guān)損耗、提高封裝熱性能、采用新型的電源架構(gòu)的方式提升充電器的功率密度。接下來我們來聊一聊關(guān)于快充電源架構(gòu)的那些事。

快充電源架構(gòu)分類

目前，在手機(jī)快充適配器中使用較多的電源架構(gòu)主要有QR和ACF。去年7月，有相關(guān)媒體對(duì)131款氮化鎵快充進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)，QR電源架構(gòu)的使用頻率最高，占比達(dá)到了87%，ACF電源架構(gòu)占比為5%。

QR電源架構(gòu)解析

QR與ACF同屬于反激式開關(guān)電路，其不同之處在于鉗位電路的不同。QR為準(zhǔn)諧振反激電路，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在提高功率密度方面并不是很突出，多在20W至65W的電源架構(gòu)中使用。其中，安森美的NCP1342是一款極具代表性的QR架構(gòu)芯片。

QR電路拓?fù)?圖源：氮化鎵系統(tǒng)

QR準(zhǔn)諧振反激電路中的準(zhǔn)諧振指是，電路能夠達(dá)到諧振所需的基本條件，但是又與諧振所需的條件不完全一致的一種諧振方式。QR電路主要是通過在電路中加入電感或電容，吸收開關(guān)電路所產(chǎn)生的開關(guān)噪音，使得開關(guān)兩端的電壓、電流呈正弦波規(guī)律性的變化，同時(shí)還能使得功率開關(guān)管在零電壓或零電流的情況下完成開關(guān)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將開關(guān)損耗降至最低，實(shí)現(xiàn)高效地傳輸。

上圖中變壓器旁的RCD電路主要起到鉗位限制作用，避免以電流、電壓應(yīng)力過大或變壓器的尖峰造成開關(guān)管的擊穿。當(dāng)開關(guān)管的VDS大于VIN時(shí)，吸收電路中的二極管會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)變壓器的寄生漏感，就會(huì)通過吸收電路中的電阻進(jìn)行釋放，同時(shí)也會(huì)為電容進(jìn)行充電，電容所吸收到的電能最終也會(huì)通過電阻以熱量的方式釋放。因此快充設(shè)備在使用QR拓?fù)鋾r(shí)首先要考慮好散熱的問題。

能量以熱的方式消散，也是意味著能量損耗的增加，系統(tǒng)效率的降低，那么這里的損耗是否可以避免，該怎么做呢？為解決這一問題就有了接下來要介紹的ACF電源架構(gòu)。

ACF電源架構(gòu)解析

ACF全稱為有源鉗位電路，為盡可能地避免與QR架構(gòu)一樣，能量以熱的方式損耗，ACF將鉗位電路的電阻和二極管替換成MOSFET，同時(shí)還將鉗位電路中電容所吸收到的尖峰能量，反饋到輸入端（相當(dāng)于能量回收），進(jìn)而提升系統(tǒng)的高效性。

ACF電路拓?fù)?br />

ACF是一項(xiàng)新的電源技術(shù)，也可以算是QR的進(jìn)階架構(gòu)，繼承了QR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，通過功率管軟開關(guān)的方式，極大地降低了功率器件的開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，并且該電源架構(gòu)還能夠支持更高的開關(guān)頻率，高效的氮化鎵功率器件，也能在這一的電源架構(gòu)中得到充分的發(fā)揮，有利于終端應(yīng)用的小型化和提升功率密度。在電路設(shè)計(jì)過程中，鉗位電路的電容可以適當(dāng)?shù)脑龃螅娙莸脑龃笥欣跍p小VDS的尖峰。但這一操作在QR架構(gòu)中并不適用，增大QR的鉗位電路電容會(huì)導(dǎo)致功耗的增加。

ACF的幾種工作模式 圖源：PI

在實(shí)際應(yīng)用中，ACF共有4種工作模式，當(dāng)主電路的MOSFET導(dǎo)通，鉗位電路的MOSFET關(guān)斷時(shí)，初級(jí)側(cè)的電感和漏感將會(huì)儲(chǔ)存能量；當(dāng)主電路和鉗位電路的MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，VDS的電壓會(huì)隨之升高，當(dāng)VDS=VIN+VOR時(shí)，漏感內(nèi)的能量將會(huì)被鉗位電路的電容吸收；當(dāng)主電路的MOSFET關(guān)斷，鉗位電路的MOSFET導(dǎo)通時(shí)，鉗位電容內(nèi)所儲(chǔ)存的能量會(huì)與漏感進(jìn)行振蕩，并輸入次級(jí)端，以此完成能量的回收。還有另外一種情況，當(dāng)主電路和鉗位電路的MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，主電路MOSFET的VDS會(huì)持續(xù)地降低，當(dāng)VDS降至0或趨近于0時(shí)，主電路的MOSFET會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓?jiǎn)?dòng)的效果。

談到ACF架構(gòu)，必須提到的一點(diǎn)是ACF電源架構(gòu)對(duì)控制器有著極高的要求，高性能的控制器芯片才能充分地展現(xiàn)出ACF的性能。在主控芯片代表方面有Semiconductor集成度較高的SZ1130，以及TI經(jīng)過迭代優(yōu)化的UCC28782。

結(jié)語

從電路拓?fù)鋪砜矗琎R和ACF的差別并不大，而且QR更具成本優(yōu)勢(shì)，但從系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率以及整體性能來看，ACF不僅可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)主開關(guān)管的零電壓?jiǎn)?dòng)，還能把QR以熱量釋放的電能回收，將系統(tǒng)效率最大化。對(duì)控制設(shè)計(jì)成本有所限制的可以選擇QR，追求高轉(zhuǎn)換效率、高功率密度的可以選擇ACF。