安森美半導體的NCP51530是700 V高低邊驅動器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類最佳的傳播延遲、低靜態電流和開關電流。NCP51530具有行業最低的電平漂移損耗，使電源能在高頻下高能效的工作。本文將對NCP 51530與行業標準的兩個器件進行比較。計算NCP 51530用于有源鉗位反激 (ACF) USB PD適配器中的損耗。然后給出NCP 51530對比兩個競爭器件用于ACF應用中的實際熱性能。緊接著把采用NCP 51530的ACF板的能效數據與采用兩個競爭器件的ACF板的能效數據進行了比較。

前言

為了使現代電源更緊湊和高效，電源設計人員越來越多地選用高頻應用。開關電源采用高頻工作可以減小變壓器的尺寸，從而增加電源的功率密度。高頻工作也有助于改善電源的電磁干擾(EMI)信號，減少EMI器件數。因此，世界各地的電源設計人員都在研究高頻應用。

然而，在實現高頻電源方面存在一些障礙。功率開關、變壓器鐵芯材料、漏電損耗和開關損耗是阻礙大規模應用高頻電源的一些障礙。隨著氮化鎵(GaN)/碳化硅(SiC)技術的出現和MOSFET技術的不斷發展，功率開關似乎開始適用于高頻電源。同樣，變壓器鐵芯材料制造商也在不懈地努力創新高頻鐵芯材料。

零電壓開關(ZVS)拓撲可以減小與功率開關相關的開關損耗。常用的ZVS拓撲如LLC、半橋轉換器、全橋轉換器、有源鉗位反激、雙開關正激轉換器等。需要低邊、高邊驅動器來實現緩沖和電平位移的功能。這些器件可以驅動高邊MOSFET的門極，其源節點為動態變化的節點。

有與功率開關驅動器相關的固有損耗。在LLC、半/全橋轉換器等具有圖騰柱結構的功率開關中，高邊驅動器的電平漂移損耗很大。頻率越高，這些損耗就越嚴重。

NCP51530特性

安森美半導體的NCP51530[1] 是700 V、高低邊驅動器，用于AC-DC電源和逆變器，提供高頻工作下同類最佳的傳播延遲、低靜態電流和開關電流。NCP51530具有行業最低的電平漂移損耗。因此該器件使電源能在高頻下高能效的工作。

NCP51530有A/B兩個版本。NCP51530A具有典型的50 ns傳播延遲，而NCP51530B有25 ns傳播延遲。NCP51530采用SOIC8和DFN10封裝。其SOIC8封裝引腳對引腳兼容行業標準的方案。

NCP51530有兩個獨立的輸入引腳：HIN和LIN，使其能用于各種不同的應用。

該器件還包括的特性有，在浮動輸入的情況下，邏輯仍然是界定的。驅動輸入兼容CMOS和TTL邏輯，因此它易于與模擬和數字控制器接口。NCP51530具有高、低邊驅動的欠壓鎖定功能，確保在正確的VCC和VB電壓水平上運行。NCP51530的輸出級具有3.5A/3A源電流/汲電流能力，可在10 ns內對1 nF負載高效地充放電。

NCP51530有源鉗位反激應用

有源鉗位反激(ACF)是經典反激拓撲的一個變體，它實現ZVS是利用存儲在寄生器件中的能量，而不是通過消耗緩沖電路中的功率。有源鉗位產生的波形通常沒有尖峰，因此比傳統技術更好的抗電磁干擾(EMI)。ZVS特性支持電源轉換器在高頻工作，同時實現高能效。

安森美半導體的NCP1568[2]是高集成度的AC-DC 脈寬調制(PWM)控制器，用于實施有源鉗位反激拓撲。NCP 1568采用專有的變頻算法，實現超級結或GaN FET在各種線性、負載和輸出條件下的零電壓開關(ZVS)。ZVS特性通過提高工作頻率來提高電源轉換器的功率密度，同時實現高能效。

為了最大限度地減少ACF應用中的功率損耗，當負載和輸入電壓發生變化時，工作頻率需要改變，使附加環流保持在最小。對于超級結FET，ZVS所需的負電流通常為?0.5A。通過調節振蕩器的頻率，直到SW節點的下降時間被調制成在線性和負載條件下的預定死區時間為止，從而以數字化方式保持負磁化電流相對恒定。在NCP1568中建立時間基準，并根據轉換和實現ZVS所需的時間積累錯誤信號。如果開關節點的轉換速度快，且ZVS發生在基準時間之前，那么就有綽綽有余的能量快速重置節點，因此應該降低工作頻率或減少關斷時間。如果開關節點ZVS剛好在基準時間發生，則不需要調節頻率。如果ZVS發生在基準時間后，頻率太高，需要降低以確保好的ZVS。

圖1 ACF采用NCP51530和NCP1568

正如預期，在具有快速傳播延遲的高邊驅動器中采用該算法，工作會更高效。具有較慢傳播延遲的驅動器使用該算法，將導致比更快傳播延遲驅動器更低的工作頻率，使整個系統不那么高能效，損耗更大。NCP 51530是業界最快的高低邊驅動器，完美地實現這一功能。

使用NCP1568和NCP51530的ACF板的頂層原理圖如圖1所示。該原理圖用于60W、通用輸入、20 V輸出電源的應用。該電源采用安森美半導體的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低邊驅動、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。這是變頻的，ACF工作頻率范圍從200千赫到400千赫。典型的ACF波形如圖2所示。

圖2. 有源鉗位反激模式

計算NCP51530的損耗

在這一部分中，我們使用NCP1568計算NCP51530在ACF應用中的功率功耗。驅動器的總功率損耗可大致分為靜態功率損耗和動態功率損耗[4]。靜態功率損失是由器件運行所需的偏置電流造成的。動態損耗是由于器件的開關特性造成的。動態損耗又可分為外部FET柵的充放電損耗和電平漂移電容的充放電損耗。

NCP51530的總功率損耗可按以下步驟逐步計算。

1. 在以適當頻率開關時，器件的靜態功率損耗(不包括驅動器)。

IBO是高邊驅動器的工作電流

ICCO是低邊驅動器的工作電流

2. 驅動外部FET的功率損耗

這一損耗是由于外部FET的門極電容器的充放電造成的。因為在這個ACF應用中，只有一個外部FET是由NCP 51530驅動的，所以我們只考慮了驅動一個MOSFET的功率損耗。

如果NCP51530用于驅動高、低邊FET，則必須包括兩個外部MOSFET門極的充放電功率損耗。

Qgs是MOSFET的柵源電荷

Vboot是高邊偏置電源電壓

f是工作頻率

3. 電平漂移損耗[4]

當高邊開關關斷時，它會使電流流入電平漂移電路，為ldmos1電容充電。該電流從高壓母線流過功率器件和自舉電容器。另一方面，當高邊開關接通時，會使電流從VCC流經自舉二極管進入電平漂移電路。

Vsw是軌道電壓

Qls是電平漂移電路的基板電荷

Vboot是高邊偏置電壓

f是工作頻率

4. P井電容的充放電損耗[4]

在半橋式功率電路中，每當開關節點在軌道和接地電平之間擺動時，井電容就會被充電和放電。這充電電流由高壓軌提供。這電流的放電路徑是流經低邊器件和epi電阻。大部分損耗發生在高低邊驅動器之外，因為epi電阻比內部器件電阻小得多。因此，這些損耗不計入高低驅動器內部的損耗。

Vsw是軌道電壓

QCwell 是開關節點的電容井的基板電荷

f是工作頻率

5. 總功率損耗

驅動器的總功率損耗為驅動損耗、靜態損耗和電平漂移損耗之和。這里不考慮由于井電容Cwell的充放電造成的損耗，因為大部分損耗都在MOSFET內部，而不在驅動器。但這些損耗會影響系統能效。

6. 結溫升高

Tj是結溫

RθJA 是熱阻

P total是器件的總功率損耗

與競爭器件的對比

我們選擇了兩款競爭對手的器件用作比較，這兩款器件是行業標準的器件，與NCP51530一樣用于類似的應用并采用與NCP51530相同的封裝。都與NCP51530一樣采用相同的有源鉗位反激EVB裝置進行測試。在完全相同的條件下，對這三款驅動IC的熱數據進行了兩兩比較，并分別比較了采用這三款驅動IC的ACF板的能效。

熱結果

NCP1568在所有條件下使用專有的變頻算法實現ZVS。如上所述，在相同的負載條件下，這3款驅動器的不同傳播延遲導致不同的工作頻率。為了公平的比較，在對比這3款器件的熱性能時不用此算法。EVB被配置為在425千赫的恒定頻率下運行。在115 VAC輸入和1A輸出負載下，采集這三款器件的熱數據。

表1顯示了ACF EVB中驅動器的最高溫度和最低溫度。圖3、圖4和圖5分別顯示了在應用中運行的NCP51530、競爭器件1和競爭器件2的熱圖像。從熱圖像中可以看出，NCP 51530比兩款行業標準的競爭器件的散熱性更好。在425 kHz的工作頻率下，NCP51530溫度僅為50°C左右，競爭器件1和2的溫度超過90°C，在更高的工作頻率下性能差異將更加明顯。這是因為電平漂移損耗是高低邊驅動損耗機制中最重要的損耗機制之一。

NCP 51530的極佳的熱性能使它能用于高密度板。這一結果再次說明NCP51530是用于高頻應用的行業性能最好的高低邊驅動器。

表1 三款器件在ACF EVB中的溫度數據

圖3 ACF采用NCP51530 - 熱圖像

圖4 ACF EVB采用競爭器件1- 熱圖像

圖5 ACF EVB采用競爭器件2- 熱圖像

能效比較：

我們采用ZVS算法采集了上述三款驅動器的ACF板在115 VAC、230 VAC輸入和4個負載點(5 A、1 A、1.5 A和2 A) 的能效數據。數據如表2、圖7和圖8。

NCP51530與競爭器件在40W負載下的能效差超過1%，在更低負載下的能效差超過2%。圖7和圖8很好地證實了這。在更低的負載點，NCP1568工作在更高的頻率，如上所示，在較高的頻率下，NCP51530和競爭器件之間的損耗差更大。因此在ACF EVB中，NCP 51530的性能在更低負載下比更高負載下還要好。

這是由于電平漂移和C井充放電損耗降低直接使能效得以提高。而降低電平漂移損耗的影響可直接在熱數據中看到，電平漂移和C井充放電損耗的綜合影響提高了系統的能效。

表2 - 115 VAC能效數據

表3-230 VAC能效數據

競爭器件

圖6 115 VAC輸入，NCP51530對比競爭器件的能效

競爭器件

圖7 230 VAC輸入，NCP51530對比競爭器件的能效

總結：

熱數據和能效數據表明，NCP51530的性能比兩款行業標準的器件好得多。在熱數據比較中，在相同的線性和負載條件下，NCP51530的最高溫度為50°C，而競爭器件的溫度超過90°C。在滿載條件下，使用NCP51530的ACF板比使用兩款競爭器件的ACF板能效高約1%。NCP51530還具有行業最快的傳播延遲，從而優化了ACF的運行。

結果表明，NCP51530是適用于高頻應用的高性能器件。頻率越高，使變壓器越小，因此設計的電源板密度越高。而且NCP51530極佳的熱性能使它能用于高密度板，而不增加板的熱信號。

NCP51530支持許多高頻拓撲，這些高頻拓撲早前需要更昂貴的驅動方案(脈沖變壓器)。因此，這是一款變革的器件，有助于向一個目前由于缺乏高效的高邊驅動器而擱置的市場推出高頻拓撲及超高密度設計。

參考文獻

[1] NCP51530 ON Semiconductor,

[2] NCP1568 ON Semiconductor, ?id=NCP1568

[3] NCP1568 EVB, ?id=NCP1568PD60WGEVB

[4] AN-978, International Rectifier, https://www.infineon.com/dgdl/an-978.pdf?fileId=5546d462533600a40153559f7cf21200