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原创|氮化镓很厉害,SI也不是盖的,ncp1568硅版本的有源钳位反激设计

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L214235143
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助理工程师
  • 2020-3-28 12:19:09
去年,安森美和TI分别发布了一款主控IC UCC28780/NCP1568,为解决超高频反激适配器孕育而生的两款产品,配合氮化镓做出了效率接近95%的适配器。很是厉害。
大家都在调UCC28780,可是,安森美NCP1568的主控是买不到还是怎么滴,感觉熄火了似的,一个都没有,今天我的方案就是用NCP1568有源钳位反激控制器搞出一个小东东
自己比较菜,氮化镓算是炸了个精光,不甘心,上硅器件,发现了新大陆。话不多说,开贴...........................

因为做的是DEMO ,所以细节大佬们忽略,重点贴一下ACF的波形和设计过程中的DEBUG。顺便再说一下NCP1568和28780中间的相似点

方案名称:65W反激适配器
拓扑结构:有源钳位反激(ACF);
主控:NCP  1568B06A  
半桥驱动: NCP51530ADR2G
同步整流:MP6908(A)
输入电压:100V-240V(90-264)
输出功率:65W
输出参数:20V/3.25A(单电压)

昨天下午趁下班前,搞了一下典型的开关波形。先给大家分享。

首图先谢谢21电源-小王寄来的样品




测试的典型波形均以115V电压下作为标准。
NCP1568脚位比较少,大家可以看一下 NCP1568-D规格书.PDF (1.13 MB, 下载次数: 55)
他有两个版本,B13A是淡化加版本B06A是硅版本的,两者区别嘛,在LEB时间和DtMAX上有所区别,硅版本的器件Dtmax在420NS  器件的这参数从实际应用来看决定这方案的整体水平,这个时间也是UCC28780中的Rtz  最大死区时间,如果该时间不够充足,则意味着需要更多的负电流和能量区迫使开关在既定的死区时间内达到ZVS.如果不够大,整体开关频率拉的比较低,当然,器件的COSS也决定这这个时间内的负电流大小和频率。或者说叫(Cotr)
选型不对,不变频常在,换个管子就能用显然不符合实际,还是要有一点考究和细节的。


死区时间的不同,导致方案的效率,频率差异较大。1568不同版本是定好的,28780则要自己调,小伙伴可以自己根据管子的COTR值,去依次验证最合适的值。当然,氮化镓的负电流小,时间可以更短。
上图:初级电感电流波形,高低边开关管和VDS波形,满载时候的
半载的开关波形,1.6A左右,抓了一下开关频率。
切换模式后的进入DCM模式的开关波形,NCP1568用ATH和DTH两个脚去控制进入和退出ACF的阈值,,同等于UCC28780的BUR脚,不过这两个脚位的设置很关键,甚至不同器件的COSS 以及CS电阻大小,都有可能影响,当然,理想情况下你可以照着安森美的规格书上选取你想要的值,你会发下突然模式异常了。
                进入DCM时候,频率降低为设置频率的一半,PEAK电流增加,FB电压也会增加,如果按照规格书上对应FB电压所选取的值作为模式变换的阈值,可能会蒙蔽 0 0 有兴趣做的小伙伴可以观察下这个细节。当然28780
是没有频率设置脚位的,虽然28780的板子还在打样中,但估计下来,RDM脚的功率级参数设定,是会影响不少玩意儿,期待 。



看下DCM下的硬开关,和待机频率吧。待机功耗是没问题的。(这里画个小重点,不论是氮化镓还是SI器件,上管小一点,没坏处,RCD的吸收电阻,用个5M 10M都可以,千万别学普通反激,100K 200K  待机不想要了?)


DCM下的次级电流波形。
电流探头不够顺便补一张初级和次级电流的合集,器件用的硅,所以,看起来VDS下降起来会比较平滑。,如果用氮化镓 又是另一番景象了,拐点呢更尖锐。
这里有一个小问题,底边管结束后,电流会瞬间掉落。
那这个掉落的点决定了次级电流起始点,也决定了次级同步mos的IPEAKE水平,如果起始点较高,,那同步的压力又会小点,是什么决定的呢



然后是关机波形,这个震荡还是可以接受嗯嗯

放大了看,电压不够勉勉强强吧
    开机波形,LEM模式的前沿调制

细节,开启时第一个高边管打开的瞬间 还好,能接受,切换模式就不忍直视了
   切换模式LEM模式


看细节,放大了看有没有很可怕,如果28780也会出现这个东东,怀疑下氮化镓短路不知道能不能抗到、。第一个脉宽,如规格书,250ns 有点后怕。
LEM模式下,CS阈值会到1.2V  并且LEM模式的工作频率是基频,那么大家想一下,如果65w满载工作在200K   为了满足PD5V输出,那我设定的最低频率要接近100K  可是LEM模式从100K进ACF 而我变压器是200K设计的,这个问题会造成什么。IPEAK电流得有多大?


三个图分别是进入ACF模式LEM阶段快进去的时候,和进入DCM时候的以及其放大细节,不过可以看出来,DCM是直接进来的,并不如规格书上说的也会过度到前沿调制。百思不得姐。

嗯,动态负载下的话还算理想,把基频设置高一点,就不会出现切换模式炸次级mos 或者过度过程进不去的现象导致炸鸡了,调氮化镓的过程就是因为这东西,可能有潜在风险,导致我炸的是灰头土脸,当然相比氮化镓,硅有更大的短路能力和EAS,可靠性相对来说在系统上会少做点文章,给工程师留的坑也少一点。


瞎搞了个测试表,目前看起来频率比较符合。
看下230V时候的开关波形和频率吧,嗯 MOS上升沿只有200ns   Qg只有9nC  暂且保密型号。

高压时的开关和细节,可以看到,DTMAX拉到420NS左右负电流很小,要知道这可是SI啊。效率最后上,会满意的,管子是300m,
并且上管的钳位mos 只用了900MR的,进一步减小Cotr总和,看起来越来越美丽。

RCD的R悬空,DCM下电压尖峰还好,当然,这么快的开关频率和速度,次级同步MOS压力不小,(同步整流频率一定要跟得上,最开始用6908真的不够,切换负载都会先死机 0 0)


总结       NCP1568的脚位想对比UCC28780还是要简单很多的,尤其是集成了开机自启,还是要方便些
       pin脚上的区别,1588的ATH和DTH同等于28780BUR,不过这两个脚位的设置,要根据CS电阻,甚至包括器件的coss去细细的评估下,当然变压器的漏感也是重点。设不好就GG.            二次谐振的次级电容一定要足,不可以让初级电流震上来,否则导致次级峰值电流变大
            漏感尽量的小吧,次级整流MOS的COSS和RC数还会影响一些波形,大家调试过程会发现的 - -
            电流探头勾到次级电流波形,会影响原来波型,还挺大影响。
            VSW的检测节点或者走线尽可能远离各种器件吧。
       死区时间固定拉,检测也固定拉,没有28780可调方便,不过貌似28780也只能设到最大480、,想要优化的话,可以从51530上下功夫 有A和B版本可以延迟25ns和60NS  底边驱动可以直接驱动mos管,管子Qg要小,氮化镓另说,SI器件的话,轻载跑在400K qg大的要死的管子,驱动能抗的下吗?同步整流的也要参考。要不很烫,@瀚海一片沙老哥跟我讲了我才留意到,器件选择确实要琢磨下,又要评估Rdson  还要Qg小,COSS还要合理。哈哈
      调试过程中,发现低压和高压的OCP点差别比较大,1568提升频率是有补偿CS阈值的,但是,加大负载,频率降低,阈值提高,这TM不是正反馈吗?
      UCC28780多了VS检测,可以轻载也工作在QR,不过都轻载也也不在乎那点QR,适当合理的减小上管电容,选择合理的管子,轻载效率还是理想的,前提是你的BUR或者DTH设定合理。别让频率跑的太高。有人会说,氮化镓零反恢。ACF需要吗。 进入DCM后,mos的反向恢复,怎么都比4007快吧,只是结电容打了电流确实会震荡,但是减小上管,可以优化的很理想。
     看郭版的ACF培训,都是二次共振,28780的规格书也是写着2次共振。满载时,次级电流波形是比较美丽的,如何让半载也很美丽,也是接近ZCS,让谐振的负电流最深的点小于需要抽取结电容能量的电流大小就可以,至于怎么实现,大佬们各显神通。
     基本关键点的细节和开关波形到此结束,中间也有很多难点和坎坷。EMI高频软开关,依旧是一个比较难的问题。UCC28780DE PD版在打样了。尝试一下吧,不过有了1568的经验,希望可以更轻松一次


这次测试硅版ACF和氮化镓版的ACF都做了。

氮化镓是厉害,但是在这个小功率量级,感觉不是它该大显身手的地方。体积的话,受限于电容,Emi器件,并不能无限制的小下去。够用就好,下面上一些简单的测试结果。(据说安森美后续会出合封板桥版的1568,成本压缩,效率提高。期待)
小米的ACF点燃了市场,这个拓扑,提升1.5个点的效率,加在器件上的温升会小多少,没有了电容损耗和开通损耗,器件的成本又能降多少,这个大家自己评估,小弟就不会啦。


话不多说,上图 - -

差不多吧,和华为18W充电器一个尺寸,49*39*22吧。,做的粗劣不要见笑。实测过程中有过改版,整流桥用一个是可行的,只要把次级的二次共振电感弄的稍微大一点。我是铁正面的,用的7*7 比较理想。


效率我用硅做的,是单电压版本,不知道和和PD能差多少效率。先上一组实拍图90V直读电子负载效率在92以上,实际效率接近93 ,不知道各位大佬能否接受。

这个不好评判了,各位各抒己见吧,氮化镓Rdson比较小,低压效率确实会高点。SI版本做的是比较理想的并且短路三个小时也ok 就只针对自己做好的发一组吧。



顺便上个传导,230V还是可以的,115就不上了,反正也没什么压力。可以看到,在开关频率的节点,
还是会冲起来点,怎么改大家都是前辈。我向大家学习辐射的话,因为软开关,还是想想变压器怎么共模抵消实在。图就不上了。我是可以接受的。


板子细节和原理图PCB我就不上了吧,PCB比较简单,原理图和官方的差不多,重要的是选型和调试优化的过程以及过程中不好避免的地方 。别的都比较简单,DEMO没有焊接,还有空板子,可以私信玩吧。
差不多就这样了,过几天UCC28780的PD板子回来再测.


最后感谢世纪电源网提供氮化镓样品,感谢星宇版主的前期指导,感谢安森美沈砖头提供样片,感谢代理商超哥支持。感谢瀚海一粒沙老哥的不辞劳苦,哈哈哈哈,SI版本ACF反激。到此结束。



最后爆一下,是什么管子Qg超级小,开关速度堪比氮化镓。效率这么高,以及最关心的成本。
主开关管是650V 300mR的MOS管,Qg  9  OSS65R340JF   钳位管用的900mR的管子






温升的话,不解释 没有电容损耗和开启损耗,QG这么小,驱动损耗也很小的情况下,实在想不到什么还能提升管子的温度。
成本嘛 0 0你想想市面上一个300mR的管子大概多少钱:自然心里有数
同步整流有验证过BSC093N15和OSG10S10GF 效率基本无差别。一个150v一个100V而已。



测完了,期待合封1568的到来。



L214235143
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助理工程师
  • 2020-3-28 15:38:11
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大家设计中,包括UCC28780有出现什么问题,也可以一起分享出来哦?
A1223
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kuner0806
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学习了。强 赞
电路菜鸡
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厉害,继续学习
OliverBrown
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Q403920015
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超级硅的亮点比较多。
Samuel08855
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