安森美帶來的電源適配器變革，有源鉗位反激是方向
2018-11-02 21:44:34 EETOPEETOP訊：2018年10月26日，全球領先的半導體解決方案供應商安森美半導體(ON Semiconductor)在北京嘉里大酒店召開了有關USB Type C及供電（PD）方案的媒體交流會。安森美半導體模擬方案部交流-直流電源管理高級市場推廣經理蔣家亮先生為與會媒體朋友介紹了安森美公司的發展概況，并結合適配器的市場趨勢，重點分享了安森美半導體領先市場的超高密度USB Type-C及供電（PD）電源適配器方案。EETOP作為特邀媒體，出席此次會議。
蔣家亮，安森美半導體模擬方案部交流-直流電源管理高級市場推廣經理
全球領先，客戶至上
安森美半導體總部位于美國亞利桑那州菲尼克斯，整個公司于1999年從摩托羅拉分拆出來，至今已有19年的時間，截至2018年7月底，公司市值約100億美元。從公司的營業額來看，主要分為五大重點市場，即：汽車領域、工業和醫療領域、通信和手機應用領域、消費類家電產品領域及計算領域。
從2018年第二季度的銷售概況來看，剛才提到的五個主要的市場——汽車（31%）、通信（17%）、工業/醫療/航空-國防（28%）、消費（14%）和計算（10%）。根據渠道收入的劃分，主要來源是代理商，約60%。其他直供的客戶，比如OEM（原始設備制造商）和EMSI（電子合約制造商），大概有40%。從區域市場收入分布來看，亞太區（不包括日本）占最大的份額，約60%。其他歐美和日本共有約40%。
安森美半導體產品的覆蓋性非常廣，如果從頂尖功率半導體分立器件和模塊半導體供應商的2017年全球市場份額排名來看，安森美半導體排全球第二，其市場使用量非常大的。在這個服務致勝的年代，安森美的成功更體現在客戶至上的貼心服務上。在全球各地，他們會結合當地的區域發展及市場情況提供不同的參考設計及服務。比如美洲、歐洲這兩個區域主要是前端的生產；很多制造、后端的生產基地在亞太地區。并且他們會利用自己強大、寬泛的產品，為客戶提供很多不同的整體方案；也會做一些優化，提升他們的供應鏈和制造的網絡，提高品質。而在前線部分，他們會考慮如何利用現有的資源跟客戶進行溝通，多做一些客戶特定的方案，為客戶提供完整且具有差異化的解決方案；對于新產品的開發，會協助客戶加快他們的產品上市時間和收入。
電源適配器受三大市場動力推進
需求更多的電力：傳統手機，插SIM卡就可以打電話。自從USB出來后，就能和電腦連在一起，可以有數據的傳輸、充電的效果等。過去看到的USB第一代、第二代、第三代或者以前有micro USB，插頭比較小，還不能正反插。也看到過快充架構，快充1.0、2.0、3.0，也是有限的，瓦數大概十多瓦，還不到20瓦。快充4.0最多也是二十多，三十瓦，瓦數上還是有限制。如果用USB Power Delivery(PD，供電)這種能力，就可以覆蓋到100瓦，也就是一個Type-C的接口可以充100瓦的能力。
邁向采用USB C PD標準：目前市場已經在慢慢轉用USB Type-C的線，因為USB Type-C能給大家帶來統一，每次用手機充電也好，傳輸數據也好，聽音響都好，都用同一根USB Type-C的線，這也是為什么USB Type-C的使用變得越來越廣泛。此外，我們可以用同樣USB Type-C接口的充電器充筆記本，也可以充手機，所以它的彈性非常大，非常廣。這也是為什么安森美半導體會在這個部分發展一些新的電源方案，來配合USB PD的架構。
超高密度電源適配器：電源需要有一個改朝換代的機會。充電器部分，從以前非常笨重、充電非常長的充電器，到現在只需要30分鐘。從手機非常耗電，還不能隨身帶著的充電器，到后面比較輕巧的充電器。我們也不能做很大的手機充電器，唯一追求高密度、高能效。另外我們會設功率密度參數，目前在市場可以隨意看到大概10W/in3的密度。
蔣家亮介紹到：“在電源方案方面會有一些挑戰，不過是我們目前就能夠克服的。比如如何提高能效，尤其針對輕載的時候，因為每個充電器在使用時或在滿載時，半載或者輕載時，或在待機的時候也會達到非常好的能效。因為需要跑得高的密度，熱的管理也要做得好。如何做到好的散熱，也是很重要的地方。假如密度做得很高，每個器件，每個元件排列都要非常緊湊、緊密，很容易受到干擾，怎樣做到性能好的EMI（抗電磁干擾）的同時，保持器件數少，也是高難度的事情。做一個能夠覆蓋全部應用，從筆記本到手機都可以充電的電源，這才是目前看到的發展方向。”
有源鉗位反激是適配器的下一個演進
傳統的反激拓撲架構。開關一般有個變壓器還有Mosfet。振鈴是開、關的時候產生的，也會影響、產生很多高頻的EMI，影響周邊的東西，帶來損耗。如果不想產生EMI，周邊有振鈴電路把它吸收掉，吸收掉就等于損耗掉，等于跑高頻越多，越高頻損耗越多，所以傳統的反激拓撲結構有限制，不能跑到高頻，就是這個原因。
假如現在用有源鉗位，就是在上面多加一個Mosfet，在上面多加一個電容，但同樣有吸收能量的地方。當Mosfet關的時候，全部的能量會送到電容里儲起來，儲起來之后會重新利用電容里的能量。當重新利用的時候，同樣把Mosfet這個點的開關的電壓設置為零伏，去開下邊的Mosfet就等于是零伏的電壓開關。這是有源鉗位帶來的優勢。蔣家亮解釋說：“怎么會做到高頻，因為每一個開關的時候，都是零電壓開關，等于沒有損耗。關掉的時候，也可以把那些會產生EMI損耗的能量全部重新利用，把它傳遞到二極管，等于整個電源轉換過程不會有損失，變成了既可以做高頻，也可以實現低EMI，同時還會保持非常好的能效，這是有源鉗位的好處?！?/p>
自適應ZVS，死區時間：總所周知，IC的特點，自適應零電壓開關，頻率是會變動的，隨著輸出電壓自己變動。但IC芯片需要保證操作的時候，不會有其他事情發生。比如說5伏能夠做到非常好的能效，20伏也需要做到非常好的能效。蔣家亮介紹說：“所以IC里邊的機制，有一個自適應的方式，隨著輸出電壓和負載的變化，IC會自動調整開關頻率以達到一個最優化的控制，提升能效。同樣我們也集成一些自適應的死區時間，能夠把一個開關的操作做得非常完美，也減少其中的損耗。”
可配置的ACF/DCM轉換：有源鉗位(ACF)不能從零負載到滿負載都是ACF狀態的，如果滿負載是ACF，輕載也是ACF，待機也是ACF的話，可能做不好。所以我們要把當中的一個點，就是IC會自動切換成ACF轉到非連續導電模式(DCM)狀態，那個時候電源就可以把輕載和待機這兩個部分再熱化。蔣家亮說：“我們這個IC目前最強的就是能夠做到待機功耗小于30m/W，也可以做ACF模式頻率返走，也可以把輕載做好。當然我們IC有內嵌啟動的部分，也會有輸入的欠壓保護，也有所謂數字軟開關的部分，從零到負載，到5伏，這個部分會非常完美，不會有一些奇怪的監控跑出來。”
安森美半導體獨有的新技術：自適應死區的時間也是確保每個周期開關的時候，是比較完美的狀態。IC需要將周期調到輕載、待機部分，以前反擊非常困難，很難做到非常低。可能做到非常低的待機，但是可能有聲音。我們可以多加靜音的方式。當一個頻率返走的時候，我們可以把頻率從29K馬上調到800赫茲，中間可以從29K變成20K或者十幾K。但蔣家亮并不認可這種方式，他解釋說：“安森美半導體基本上把這種中間的頻率跳開。這就也是安森美半導體目前新的技術——怎么樣從29K開關頻率馬上跑到800赫茲。 1K、2K、3K、5K、10K這些人比較容易聽到的地方全部跳過，馬上跑到800赫茲，也可以做到很低聲音的效果。就是靜音跳躍消除可聞躁聲的效果?！?/p>
顯著增加功率密度：目前氮化鎵不是很流行，因為相對來說比較貴。所以在高密度的部分，如果能夠用到普通的超結Mosfet，也能做到高密度，那就是首選的方案。同樣的，在那些不同的負載，基本上會達到90%或者94%的能效，在平均能效或者10%輕載的時候，也是目前能夠達到的能效指標。
安森美半導體提供領先市場的適配器方案
安森美半導體提供關鍵的硅器件用于有源鉗位反激(ACF)設計，其中包括NCP1568有源鉗位反激脈寬調制(PWM)控制器;NCP51530高性能高低邊MOSFET驅動器;NCP4306次級端同步整流驅動器及SUPERFET®MOSFET,橋式二極管、二極管等。
安森美半導體電源適配器方案從多模NCP12601、高頻準諧振(QR)到有源鉗位反激NCP1568,其功率密度在不斷增加。安森美的IC方案非常有彈性，目前安森美針對不同的應用需求，做了不同的版本，有90瓦版本的，這個大小算是比較高密度的，還有20瓦、40瓦等不同版本的，此外，針對5伏、10伏、30伏，也同樣有產品方案，也可以做到差不多24、25密度的指標。
關于半橋驅動的IC。半橋驅動器很多廠商都有，安森美半導體也有，而且應該算是目前全球跑得最快的半橋驅動器。從信號到輸出，這個延誤只有7個納秒，非常小。為什么安森美半導體可以做到這么短的時間？蔣家亮解釋說：“安森美有新的技術可以開發這些半橋驅動，就是用這個IC配我們NCP1568，做一些高密度，跑高頻，就是非常重要的參數。當然我們跟其他競爭對手也做了一些比較， IC本身的耗電量或者自己在正常驅動的時候發燙的效率來看，我們的IC做得非常好，損耗非常低。同樣我們的創新能力，產品都獲了媒體Top 10電源獎?！?/p>
總的說，安森美半導體的NCP1568和NCP51530適配器方案，可以提供零電壓開關；非常好的切換保證；非常高密度，且有很大彈性去做不同的頻率開關，從低頻到高頻，密度也可以隨著客戶的目標來實現，甚至可以結合USB供電做到100瓦的效果。除此之外，還會給客戶提供一些模擬仿真的工具，讓客戶有預演的機會。
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