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Netzteil-Design

Perfekt auf USB-C abgestimmt

10. Oktober 2018, 9:30 Uhr | Yong Ang

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Integrierte und robuste Lösungen

Die Wahl eines sekundärseitigen Synchrongleichrichter-Controllers, der alle gewünschten Anforderungen erfüllt, erfordert die sorgfältige Betrachtung sämtlicher verfügbarer Lösungen. Wie erwähnt, wird das Netzteil-Design abhängig von der Anwendung für eine bestimmte Ausgangsleistung ausgelegt.

Ein Controller, der ausreichend Flexibilität aufweist, kann in verschiedensten Netzteilen Verwendung finden. Das kann mit einem Controller erreicht werden, der einstellbare Ein- und Ausschaltzeiten bietet, die während der Entwicklungsphase festgelegt werden.

Der NCP4306 von On Semiconductor ist ein flexibler Controller, der in unterschiedlichen Anwendungen eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht. Die Einschaltzeit beträgt 30 ns, die Ausschaltzeit 13 ns. Dadurch wird die Durchlasszeit des Synchron-Gleichrichter-MOSFETs maximiert, während das Risiko von Querströmen mit dem primärseitigen Schalter beseitigt wird.

Der NCP4306 ist für Direct-Sensing-Spannungen bis 200 V ausgelegt. Mit seinem 2-A-/7-A-Gate-Treiber kann der Controller problemlos MOSFETs mit weniger als 10 mΩ Durchlasswiderstand schalten und die Design-Anforderungen für USB-PD-Netzteile bis 100 W erfüllen.

Neben Varianten für die Ansteuerung bewährter Mittelspannungs-MOSFETs gibt es den NCP4306 auch in einer Version, die GaN-HEMTs ansteuert, die noch schneller schalten können als MOSFETs. Diese Synchrongleichrichter-Controller-Variante liefert eine geregelte Steuerspannung (5 V), die optimal für GaN geeignet ist, ohne sein Gate zu überlasten.

Damit eignet sich der Controller für Netzteile mit sehr hoher Leistungsdichte, die für den Betrieb im QR-Modus oder sogar als Active-Clamp-Flyback-Topologien ausgelegt sind. Seine maximale Betriebsfrequenz beträgt 1 MHz. Bild 4 stellt den NCP4306 in einer typischen Anwendung dar. In Kombination mit dem NCP1342, einem primärseitigen HF-QR-Regler, der mit bis zu 500 kHz betrieben wird, kann ein USB-PD-Netzteil einen Spitzenwirkungsgrad von 93,5 % und eine Leistungsdichte von annähernd 20 W/in³ erzielen.

Bild 4 zeigt die einzelnen Blöcke zum Einstellen der minimalen Ein- und Ausschaltzeit, mit denen die durch das PCB-Layout und andere parasitäre Elemente verursachten Schwingungen veringert werden können, die – wie erwähnt – eine unerwünschte Body-Diodenleitung nach sich ziehen können. Beide Timing-Parameter lassen sich über einen externen Widerstand einstellen, um das Design für die benötigte Leistung und die ausgewählten Leistungselektronikbauteile zu optimieren.

Der LLD-Block (Light Load Detection) erkennt die verringerte Frequenz der Schaltimpulse, wenn die Stromversorgung im Skip-Modus arbeitet, sobald die Ausgangslast abnimmt. Der Synchrongleichrichter wird dann in den Deaktivierungsmodus versetzt. Der Controller erfordert in diesem Zustand einen sehr niedrigen Strom von circa 37 µA, sodass das USB-PD-Netzteil den CoC-Tier-2-Anforderungen entspricht oder diese sogar noch übertrifft.

Bild 5 zeigt den internen Schaltkreis, der die Direct-Sensing-Funktion steuert. Der Synchrongleichrichter-MOSFET M1 schaltet sich ein, sobald die Spannung am CS-Pin, der mit dem Drain-Anschluss des Schalters verbunden ist, niedriger als der UTH_CS_ON-Schwellenwert ist. Der MOSFET schaltet aus, sobald die Spannung am CS-Pin höher als UTH_CS_OFF ist (typischerweise 0,5 mV).

Der NCP4306 enthält auch einen dU/dt-Steigungsdetektor in seinem Direct-Sensing-Block, um zwischen dem Resonanz-Ringing im Leerlauf und dem Einschalten des eigentlichen Primärschalters
zu unterscheiden. In USB-PD-Designs mit variierenden Ausgangsspannungs- und Lastprofilen ist dies besonders wichtig: Die Funktion stellt sicher, dass der Controller den MOSFET immer exakt schaltet.

Yong Ang
ist Strategic Marketing Director bei On Semiconductor. Er weist mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Stromversorgungs-Industrie vor, wobei sein Schwerpunkt auf AC/DC-Stromversorgungslösungen mit hoher Leistungsfähigkeit und hoher Energiedichte liegt. Bei On Semiconductor ist er verantwortlich für sämtliche AC/DC-Controller für Industrie,
Automotive, Gaming und Mobile Computing.