专为PD3.1快充设计，PI推出全氮化镓ACF电源解决方案

2022年5月26日，业内知名电源芯片厂商Power Integrations发布了基于氮化镓开关的更多型号的ACF工作方式InnoSwitch4-CZ芯片组，以满足市场不断增长的大功率快充电源应用需求。

基于PI的非互补有源钳位架构，InnoSwitch4-CZ芯片组非常适合快充应用当中的宽电压输出和宽负载范围的应用需求，采用有源钳位的工作方式后，相比传统反激电源支持更宽的输出功率范围，同时具有更佳的轻载输出纹波。

PI这次推出的内置氮化镓开关的大功率型号有六个，分别与相应的ClampZero有源钳位开关搭配工作。两个较小的型号搭配CPZ1075M适合于无PFC前级的AC-DC应用。而最大的四个型号功率芯片搭配CPZ1076M则适合于有前级PFC的高功率输出应用。这些高集成度的芯片组的搭配应用，简化了快充电源设计，为USB PD3.1充电器带来了高性能，高效率的解决方案。

在传统的反激电源中，都会使用RCD钳位电路，来吸收变压器漏感产生的电压，防止开关管击穿。但漏感能量全部通过电阻消耗，提高了电源温升。并且开关管的漏极节点的电路等效电容，在每一次开关管开关期间，其内部储存的能量均要充电泄放一次，造成开关损耗的增加。漏感能量的损耗和开关管开关损耗的增加，降低了电源的效率，限制了开关频率的提升。

根据PI高级培训经理Jason Yan介绍，PI推出的InnoSwitch4-CZ和ClampZero芯片组，通过有源钳位取代传统电源中的RCD钳位电路，在主开关管关断的时候，通过增加的PowiGaN开关管将漏感能量储存起来，并在主开关管开通前，通过变压器把钳位电容内部储存的能量传输到次级输出，提升电源的转换效率。

值得一提的是，通过有源钳位将漏感能量回收再利用，还可以利用漏感能量来实现主开关管的零电压开关，降低主开关管的开通损耗。开关损耗和漏感能量重新再利用后，即可进一步提升开关频率，缩小充电器的体积。

PI采用非互补的有源钳位工作方式，有效利用钳位能量，实现主开关管的零电压开通。非互补工作方式，可以在主开关管开通之前的很短的一段时间之内，进行一次上管的开关操作。上管开通时，将电容中储存的漏感能量通过变压器释放到次级，并利用关断后的死区时间，将主开关管的VDS电压泄放到0V，然后实现主开关管的零电压开通。

非互补有源钳位工作方式可以减小有源钳位工作方式在不同工况下的开关频率变化范围，实现DCM到CCM之间的平滑切换，支持更宽的输出电压电流变化范围，而在轻载时避免工作于打嗝模式，可以获得更低的输出纹波特性，满足USB PD充电器的宽范围输出的应用需求。而通过一个控制器对三个功率开关的精确时序控制，实现整体电源效率的最大化，实现功率密度最大化的USB PD充电器设计。

对于更大输出功率的USB PD适配器应用，往往需要在前级有一个PFC功率因数校正电路。对此，PI建议采用DCM工作方式的HiperPFS-5 PFC芯片，它具有高功率因数、高效率的优势。此芯片内部同样集成了PowiGaN氮化镓开关，氮化镓开关更低的导通电阻及更低的开关损耗使得该芯片可以以DCM工作方式输出高达220W的输出功率。

另外，HiperPFS-5独特的控制方式决定了它所使用的升压电感的感量更小，相较于传统的CRM临界模式，升压电感感量可以缩减50%以上，随着电感感量的下降，体积也会相应地缩小，而这对于有小型化设计要求的USB PD应用非常重要。DCM模式工作的另一个好处是可以使用低成本的升压二极管。对于优化系统成本及改善EMI也会有所帮助。

在这次发布会期间，PI同时推出了一款使用HiperPFS-5配合InnoSwitch4-CZ芯片组的130W USB PD充电器参考设计，三颗芯片均内置氮化镓开关。通过HiperPFS-5提供高功率因数，并具有很低的空载功耗，整机待机功耗低于70mW。通过高度集成的设计，可以看到PI这款设计的元件数量非常少，大大简化了高功率密度、小体积的高输出功率电源设计。