USB PD充电器设计 , 高效率100W USB-PD方案

更大的电池容量和更短的充电时间需求，不断提高对于充电器功率的要求。在小尺寸中实现大功率颇具挑战性，人们为此提出了各种各样的创新方案，（ZVS）拓扑结构、高性能开关、创新的封装方式以及使用宽禁带材料等，以满足相应设计要求。 

本文介绍了一种100W的USB-PD解决方案，利用电源开关和新型拓扑结构来实现94%的效率和23W/in³的功率密度。 

针对上述情况，英飞凌推出了一种新的非对称半桥混合型反激拓扑结构（如图1）。 半桥与串联电容器共同驱动传统的反激变压器。反激变压器的主电感和串联电容器形成谐振回路，用于实现半桥开关的ZVS特性，并在反激变压器的常规退磁阶段 提供谐振功率传输。在正常运行期间，充电周期和相关功率通过峰值直流电流控制，而退磁阶段通过定时控制，以确保适当的负预磁化，从而满足半桥开关所需的 ZVS条件。

图1：非对称半桥反激拓朴的简化示意图

初级侧的电源电路通过LC谐振回路实现，该回路由类似于LLC转换器的半桥驱动。谐振电感器L_r为串联电感，它既可以是变压器漏感，也可以是变压器漏感加外部电感，而L_m则代表变压器主电感。通过将谐振电容器C_r和变压器的初级线圈连接于正节点和半桥中点之间，也可以实现相同的转换效果。当高侧开关HS导通时，能量将存储于C_r和L_m中，并且各自存储的能量将随输入电压和开关频率而变化（如图2所示）。

图2：储能分布和频率变化示意图 

当高侧开关HS断开时，变压器中的电流将迫使半桥中点V_HB下降，直至低侧开关的体二极管钳位电压为止。然后，低侧开关将在零电压时导通，与此同时，变压器相位反转，能量转移至次级侧。当低侧开关断开时，上一阶段变压器中感应的负电流将迫使半桥中点V_HB升高其电压，直至高侧开关HS的体二极管钳位电压为止，类似于上一个阶段。在ZVS条件下，HS打开，而LS关闭，但变压器谐振回路中的电流仍为负，这意味着谐振回路中的多余能量将被送回输入端。