容量性絶縁を統合した高密度アダプタ設計の向上
はじめに
急速充電の需要の高まりによって、高密度アダプタは今までにないほど進化しています。実際のアダプタ設計では、新しいスイッチングパワーデバイス、トポロジー、および制御スキームの実装が無数にあります。
これらの最先端技術の導入により、アダプタ製品の電力密度は大幅に向上しました。1W/cm3は、高密度アダプタの一般的な密度になりつつあります。これは、5年前に市場で入手可能だった密度の少なくとも2倍の密度です。しかし、密度が高くなるにつれて、アプリケーションレベルでの製品設計は限界に追いやられています。その結果、設計者は従来のソリューションの限界を超える方法を決定する必要があります。
絶縁要件
アダプタ設計で最も重要な課題の1つは、絶縁要件にあります。安全規制規格によると、アダプタには、一次側の高電圧回路と二次側の低電圧回路の間に強化された絶縁が必要です。従来のソリューションでは、絶縁制御は通常、フォトカプラによって実装されます (図1参照)。このフォトカプラは、比較的低い帯域幅での出力レギュレーションの補償信号のみを送信します。これらの条件下では、フォトカプラは一次側のMOSFETとSR (同期整流) MOSFETを同期できません。
図1: フォトオプトカプラベースの従来型フライバックコンバータ
その結果、従来のスキームでの同期整流制御は、二次側巻線電圧をモニタすることによってのみ実現できます。同期整流MOSFETは、一次MOSFETがオンになった後でのみオフにできるため、連続導通モード (CCM) では常にシュートスルーが発生します。同期整流MOSFETが十分な速さでオフにならないと、シュートスルーが長くなり、大きな逆電流と高電圧スパイクが発生する可能性があります。これらの高いストレスは、重大な信頼性の問題を引き起こす可能性があります。これらの問題を回避するには、レイアウトの制限を行い、大きなスナバ回路を使用することが推奨されます。ただし、これら追加部品のサイズと消費電力の増加により、電力密度はさらに制限されます。
容量性絶縁のソリューション
MPX2002およびMPX2003は、容量性絶縁をフライバックおよびSRコンボコントローラに統合する効果的なオールインワンソリューションです。図2は、統合された高電圧コンデンサのペアが60秒間、4500VRMSに耐えられることを示しています。これにより、絶縁耐圧の定格は、強化された、ほとんどの安全規制の絶縁要件を満たすことができます。さらに、高速通信チャネルが高電圧コンデンサの両端に確立されます。このチャネルにより、同期整流と一次側スイッチングの間で信頼性の高い正確な同期を実現する設計が可能になります。
図2: MPX2002またはMPX2003ベースのフライバックコンバータ
図3は、SRゲートと一次側フライバックゲート間で通常30nsのデッドタイムが、ICの内部ロジックによってすべての動作条件下で保証されていることを示しています。これにより、CCM中のシュートスルーのリスクが大幅に減少し、シュートスルーによって引き起こされる高電圧ストレスを処理する特大のスナバが不要になります。
図3: MPX2002ソリューションのSRゲートとプライマリゲートの一般的な波形
同期信号に加えて、MPX2002および、MPX2003の絶縁コンデンサにわたる通信も、パルス周波数変調 (PFM) を介して出力レギュレーション信号を伝送します。PFMの間、スイッチング周波数 (fSW) およびフライバックコンバータのピーク電流はPFM信号によって制御されます。これは、ソリューションにフォトカプラが必要ないということです。MPX2002およびMPX2003は、それぞれ定格fSW 65kHzと130kHzに最適化されています。その結果、ソリューションがMPX2002およびMPX2003ベースで構築されている場合、フォトカプラは不要です。
追加部品が不要になることで、高密度アダプタのもう1つの重要な課題である小さなレイアウトスペースに対応します。急速充電アダプタは、より高い電力とより多くの機能が必要です。つまり、より多くの部品がより小さなスペースに詰め込まれます。ソリューション全体を簡略化することで、部品数の削減などの特徴は、スペースに制限のあるアプリケーションにとって非常に重要になる可能性があります。
図4は、MPX2003ベースで設計された40mm x 40mm x 25mmで65WのPDアダプタです。アダプターケースがない場合、電力密度は1.63W/cm3と高くなる可能性があります。PDプロトコルの実装に必要なすべての部品が二次側に追加された場合でも、まだ余分なレイアウトスペースがあります。
統合された容量性絶縁を備えたソリューションは、ICをトランスの真下に配置できるため、さらなる利点になります。従来のソリューションでは、安全規制の許可条件により、通常、すべての部品 (フォトカプラーを除く) を変圧器から遠くに配置します。この機能により、PCBのレイアウトサイズが縮小されます。
図4: MPX2003ベースの65W PDアダプタの設計
高度に統合されたフライバックコントローラは、以下のような方法で効率と電力密度を大幅に向上させます:
- 同期整流の正確なタイミング制御により、特大のスナバが不要になり、スペースに制約のあるアプリケーションの利点になる
- 高度なCCMと疑似共振 (QR) のハイブリッド制御スキームにより、広い動作範囲で最適化された動作状態が保証される
- 部品数が大幅に削減されることで、BOMと市場投入までの時間が短縮される
- トランスの下のスペースを有効に活用することで、PCBサイズも削減される
図5は、効率が、PDプロトコルによって要求される任意の出力電圧 (VOUT) に対して大きな余裕をもって、主なエネルギー規制のしきい値に合格できることを示しています。全負荷時に、効率は高いままで、熱設計が簡素化されます。
図5: MPX2003効率 (65W PDアダプタ設計)
結論
容量性絶縁の統合は、フォトカプラを使用する従来のソリューションの期待を上回ります。特に、MPX2002およびMPX2003のようなフライバックコントローラは、サイズが小さく、効率が高く、レイアウトの柔軟性を備えた統合ソリューションの有効性を実証しています。
全体として、統合には、同期整流と一次側スイッチング間のより正確な同期、部品数の削減、よりコンパクトなレイアウトなど、複数の利点があります。さらに、これらのソリューションにより、より高度な制御スキームの実装が可能になり、効率と電力密度がさらに向上します。これにより、将来の高電力密度アダプタへの道が開かれます。
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