QR、ACF快充电源架构解析｜快充电源系列

电子发烧友网报道（文/李诚）近年来手机产业发展得如此迅速，随着手机功能的增加，系统功耗也会有所提升，市场对大功率的充电器需求也愈发强烈。如果继续使用传统的电源架构提升充电功率，那么就会遇到充电器体积增加的问题。充电器体积增加对于此类便携式产品来说，并不是一个值得长期发展的方向。
 
那如何才能够在体积变化不大的情况下提升充电功率呢？可以通过降低开关损耗、提高封装热性能、采用新型的电源架构的方式提升充电器的功率密度。接下来我们来聊一聊关于快充电源架构的那些事。
 
快充电源架构分类
 
目前，在手机快充适配器中使用较多的电源架构主要有QR和ACF。去年7月，有相关媒体对131款氮化镓快充进行拆解后发现，QR电源架构的使用频率最高，占比达到了87%，ACF电源架构占比为5%。
 
QR电源架构解析
 
QR与ACF同属于反激式开关电路，其不同之处在于钳位电路的不同。QR为准谐振反激电路，其具有结构简单、容易控制、成本低等优点，但在提高功率密度方面并不是很突出，多在20W至65W的电源架构中使用。其中，安森美的NCP1342是一款极具代表性的QR架构芯片。
 

QR电路拓扑 图源：氮化镓系统 
 

QR准谐振反激电路中的准谐振指是，电路能够达到谐振所需的基本条件，但是又与谐振所需的条件不完全一致的一种谐振方式。QR电路主要是通过在电路中加入电感或电容，吸收开关电路所产生的开关噪音，使得开关两端的电压、电流呈正弦波规律性的变化，同时还能使得功率开关管在零电压或零电流的情况下完成开关转换，进而将开关损耗降至最低，实现高效地传输。
 
上图中变压器旁的RCD电路主要起到钳位限制作用，避免以电流、电压应力过大或变压器的尖峰造成开关管的击穿。当开关管的VDS大于VIN时，吸收电路中的二极管会导通，此时变压器的寄生漏感，就会通过吸收电路中的电阻进行释放，同时也会为电容进行充电，电容所吸收到的电能最终也会通过电阻以热量的方式释放。因此快充设备在使用QR拓扑时首先要考虑好散热的问题。
 
能量以热的方式消散，也是意味着能量损耗的增加，系统效率的降低，那么这里的损耗是否可以避免，该怎么做呢？为解决这一问题就有了接下来要介绍的ACF电源架构。
 
ACF电源架构解析
 
ACF全称为有源钳位电路，为尽可能地避免与QR架构一样，能量以热的方式损耗，ACF将钳位电路的电阻和二极管替换成MOSFET，同时还将钳位电路中电容所吸收到的尖峰能量，反馈到输入端（相当于能量回收），进而提升系统的高效性。

 

ACF电路拓扑
 

ACF是一项新的电源技术，也可以算是QR的进阶架构，继承了QR结构简单、设计成本低等诸多优点，同时，通过功率管软开关的方式，极大地降低了功率器件的开关损耗，提升系统的转换效率，并且该电源架构还能够支持更高的开关频率，高效的氮化镓功率器件，也能在这一的电源架构中得到充分的发挥，有利于终端应用的小型化和提升功率密度。在电路设计过程中，钳位电路的电容可以适当的增大，电容的增大有利于减小VDS的尖峰。但这一操作在QR架构中并不适用，增大QR的钳位电路电容会导致功耗的增加。
 

ACF的几种工作模式 图源：PI
 

在实际应用中，ACF共有4种工作模式，当主电路的MOSFET导通，钳位电路的MOSFET关断时，初级侧的电感和漏感将会储存能量；当主电路和钳位电路的MOSFET同时关断时，VDS的电压会随之升高，当VDS=VIN+VOR时，漏感内的能量将会被钳位电路的电容吸收；当主电路的MOSFET关断，钳位电路的MOSFET导通时，钳位电容内所储存的能量会与漏感进行振荡，并输入次级端，以此完成能量的回收。还有另外一种情况，当主电路和钳位电路的MOSFET同时关断时，主电路MOSFET的VDS会持续地降低，当VDS降至0或趋近于0时，主电路的MOSFET会自动导通，实现零电压启动的效果。
 
谈到ACF架构，必须提到的一点是ACF电源架构对控制器有着极高的要求，高性能的控制器芯片才能充分地展现出ACF的性能。在主控芯片代表方面有Semiconductor集成度较高的SZ1130，以及TI经过迭代优化的UCC28782。
 
结语
 
从电路拓扑来看，QR和ACF的差别并不大，而且QR更具成本优势，但从系统转换效率以及整体性能来看，ACF不仅可以实现初级侧主开关管的零电压启动，还能把QR以热量释放的电能回收，将系统效率最大化。对控制设计成本有所限制的可以选择QR，追求高转换效率、高功率密度的可以选择ACF。