デジタルPFC + LLCコンボコントローラが、高速充電アダプタの新時代を加速
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急速充電技術は、モバイルデバイスの電力需要が急激に増加したため、ここ数年で急速に発展しました。2020年後半、携帯電話市場のリーダー (Apple、Xiaomi、Samsungなど) は、携帯電話用のインボックスアダプタを放棄し始めました。この変化は、アフターマーケットアダプタの需要に対する別のブームを刺激し、急速充電アダプタ市場の2つの傾向も確保しました。
最初の傾向は、マルチポートアダプタの需要でした。従来の携帯電話のインボックスアダプタは、アダプタが供給できる電力量に関係なく、単一のUSBポートで設計されていました。従来の「1つの電話、1つのアダプタ」の概念は、インボックスアダプタがなくなると、顧客が複数のUSBポートで設計されたアダプタを好むようになったため、関連性が低くなりました。日常生活には多数の電気機器 (携帯電話、タブレット、ノートブックなど) が必要であり、消費者が自宅にいる場合でも旅行している場合でも、複数の機器に同時に電力を供給できる単一のアダプタが好まれる充電方法です (図1を参照) 。
図1：3C1A USBポートを備えた100Wアダプタ
2番目の傾向は、100Wを超えることが多い高電力レベルに適したアダプタでした。ほとんどのアダプタの電力レベルは、急速充電技術の開発によりすでに増加しています。USB PDプロトコルでは、最大20Vの充電電圧と5Aの充電電流が可能です。
これまでのところ、市場に出回っているインボックスアダプタの大部分は、大量生産製品のコストや単一のポータブルデバイスの実際の充電要件などの考慮事項により、依然として65W未満です。
ただし、複数のデバイスを充電するにはより高い電力が必要になるため、アフターマーケットの多くのマルチポートアダプタは従来の制限を超えています。マルチポートアダプタの場合、複数のデバイスを充電できるため、より高いコストが受け入れられます。その結果、定格電力が100Wを超えるハイパワーアダプタが主流になりつつあります。
シングルステージフライバックは、65Wまでのアダプタで最も人気のあるソリューションです。特に、入力電圧と出力電圧の範囲が広いシングルポート急速充電アダプタの場合、フライバックソリューションは、追加のDC/DC電力段を必要とせずにこれらの電圧の組み合わせに適応できます。ただし、上記の傾向に基づいて、市場は急速充電アダプタソリューションの進化を求めています。
まず、ほとんどの地域で電源に力率規制が義務付けられているため、定格電力が一定レベルを超えた場合、フロントエンドで力率補正 (PFC) が必要になります。第二に、フライバックソリューションが100Wを超えるアプリケーションの高効率と電力密度の要件を満たすことは非常に困難です。
マルチポートアダプタでは、各ポートが独立して出力電圧を調整できる必要があるため、各ポートには独自のDC/DCステージが必要です。これは、一次電源が調整可能な電圧ではなく、固定の出力電圧を提供するだけでよいことを意味します。これらすべての違いにより、2ステージのPFC + LLCコンボコントローラは、複数のポートを備えた高出力アダプタに適したソリューションになります。LLCは、広い負荷範囲でゼロ電圧スイッチング (ZVS) を実現できる共振コンバータです。入力にPFC、出力にDC/DCを使用すると、LLCソリューションはフライバックソリューションよりもはるかに優れた効率と電力密度を実現できます。図2は、PFC + LLCソリューションを示しています。
図2：HR1211に基づく典型的なPFC + LLCコントローラソリューション
例として、MPSのHR1211を見ていきます。これは、高出力マルチポートPDアダプタの設計に適したデジタルPFC + LLCコンボコントローラです。
このPFC + LLCコンボコントローラは、マルチポートアダプタに最適なソリューションです。HR1211のようなハイブリッド制御方式では、PFCステージで連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) が可能です。全負荷の下で、CCMは導通損失 (特に低いライン入力で) とインダクタサイズ要件を低減します。同時に、LLCステージは、適応デッドタイムトラッキングテクノロジーを備えた電流モード制御を実装して、あらゆる条件下で最小限のデッドタイムでZVS動作を保証します。これにより、LLCコンバータのスイッチング損失と導通損失が最小限に抑えられます。これらの機能は、高効率と高電力密度を実現するために不可欠です。3C1A USBポートを備えた実際の100W PDアダプタでは、ACからLLC出力までの全負荷効率は95%近くになる可能性があります (図3を参照) 。
図3：100W設計に基づくHR1211の全負荷効率
その結果、100Wのハイパワーアダプタを非常に小さなフォームファクタ (76mmx61mmx29mm) で実装できます。同時に、温度上昇を簡単に制御できます。図4は、このソリューションの最高温度が20V/5Aの連続全負荷動作条件で77°Cであることを示しています。
図4：連続20V / 5A出力での熱性能
HR1211独自の制御方式により、優れた軽負荷性能も実現できます。負荷が減少すると、ソリューションはPFC動作をCCMからDCMに徐々に変更し、スイッチング周波数を下げます。LLC制御は、スキップモードとバーストモードを実装して、軽負荷時のLLCコンバータの等価スイッチング周波数を低減します。これにより、スイッチング損失が低減されます。
図5は、出力電圧が20Vの場合のUSB Type-C出力の1つでの10%負荷から全負荷までの効率を示しています。PFC + LLCコンボは、ハイラインとローラインでそれぞれ88.3%と89%の平均効率を達成でき、世界的な効率規制を簡単に満たすことができます。
図5：USB Type-C出力効率
このソリューションの追加の利点は、デジタル実装によって実現される設計の柔軟性です。外部回路は非常に単純ですが、HR1211は、チップのデジタルコアとマルチタイムプログラマブル (MTP) メモリにより、豊富なプログラム可能性を備えています。すべての主要なパラメータ、スイッチング特性、レギュレーションと生産レベル、および遷移しきい値は、UARTベースの通信インタフェースとグラフィックユーザーインタフェース (GUI) を介してプログラムできるさまざまな動作モードの中にあります。
このデジタルの柔軟性により、効率、リップル、ノイズ、保護動作など、あらゆる種類のパフォーマンスを特定の設計に合わせて簡単に最適化できます (図6を参照) 。これは、高出力の急速充電アダプタのような急速に進化する市場にとって特に重要です。新しい電力仕様、フォームファクタ、またはパフォーマンス規制の市場での需要があるときはいつでも、PFC + LLCコンボコントローラは迅速に適応できます。
図6：HR1211 GUI
急速充電アダプタは絶えず進化しており、市場では100Wを超える高出力アダプタや複数のUSBPDポートを備えた新しいアダプタモデルの需要が高まっています。HR1211のようなデジタルPFC + LLCコントローラソリューションは、この需要を満たすために不可欠です。それらの優れた効率、性能、電力密度、および柔軟性は、アダプタ市場が新しい時代に突入するのに役立ちます。
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