QR準(zhǔn)諧振反激技術(shù)---超結(jié)高壓MOS替代傳統(tǒng)高壓MOS

AC/DC轉(zhuǎn)換在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，從家庭電子設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械系統(tǒng)到汽車系統(tǒng)供電等，通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換將交流電轉(zhuǎn)化為適合各種設(shè)備使用的直流電，以滿足不同設(shè)備對(duì)電源的要求。

AC/DC轉(zhuǎn)換是指將交流電(Alternating Current，AC)轉(zhuǎn)換為直流電(Direct Current，DC)的過(guò)程，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程通常需要使用AC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是我們常說(shuō)的充電器/充電頭。

AC-DC 發(fā)展簡(jiǎn)史

AC/DC的發(fā)展可追溯到上世紀(jì)70年代初期，彼時(shí)開關(guān)電源開始進(jìn)入大眾視野。隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，AC/DC轉(zhuǎn)換器也不斷升級(jí)，主要可分為以下幾個(gè)發(fā)展節(jié)點(diǎn)：

【第一階段】初代AC/DC轉(zhuǎn)換器，主要是線性穩(wěn)壓器方案。

初代AC/DC轉(zhuǎn)換器功率較小，都是線性穩(wěn)壓器的直接降壓方式。線性穩(wěn)壓器通過(guò)消耗多余電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸入電壓高于所需輸出電壓時(shí)，線性穩(wěn)壓器會(huì)將多余電壓以熱能形式發(fā)散掉，因此也稱為“線性”穩(wěn)壓器。此過(guò)程使得輸出電壓幾乎不受輸入電壓變化的影響，從而提供了穩(wěn)定的電源。這種方式方案功能簡(jiǎn)單，但功率小、效率低、發(fā)熱大，無(wú)法滿足大功率小體積的需求。尤其在輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓的情況下效率會(huì)更低。這是由于線性穩(wěn)壓器必須消耗多余電壓來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定。因此，輸入電壓與輸出電壓之間的差異越大，線性穩(wěn)壓器的效率就越低。

但其有紋波小、性能好等特性，依然被用于一些特定高性能的場(chǎng)景。

目前市面上常見的線性穩(wěn)壓器可根據(jù)其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域分為幾種不同類型，有固定正/負(fù)向穩(wěn)壓器、可調(diào)正向穩(wěn)壓器、低壓差穩(wěn)壓器等。

代表產(chǎn)品有：AMS AMS1117 、德州儀器TLV1117、安森美NCP1117、Diodes AP1117、富鴻創(chuàng)芯FH1117等Pin to Pin產(chǎn)品。

【第二階段】上世紀(jì)90年代，開關(guān)電源基本完全取代線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)電源是一種用于將電能從一個(gè)電源轉(zhuǎn)換成另一種電壓或電流的電源供應(yīng)方式。其工作原理是通過(guò)高頻開關(guān)器件(通常是晶體管或功率MOSFET)來(lái)周期性地切換輸入電源電壓，然后通過(guò)電感、電容等元件來(lái)穩(wěn)壓、濾波和調(diào)整輸出電壓。

開關(guān)電源通常比線性穩(wěn)壓器更加高效，其能夠在輸入和輸出之間快速切換，減少能量損失，并且，由于高頻開關(guān)和數(shù)字控制，開關(guān)電源通常比線性穩(wěn)壓器更加輕便、小巧。

伴隨著模擬IC技術(shù)的發(fā)展，采用Bipolar工藝的PWM控制器問(wèn)世，最典型產(chǎn)品為電流模PWM控制器UC3842：采用PWM IC配合高壓平面MOSFET的Flyback，電源性能、可靠性更優(yōu)，逐漸替代傳統(tǒng)方案。中大功率方案仍以硬開關(guān)的正激、半橋、全橋等電路為主流方案，在一些對(duì)可靠性要求高的工業(yè)類、航空類產(chǎn)品中，方案至今仍被采用。

【第三階段】2003年后，QR準(zhǔn)諧振反激技術(shù)，超結(jié)高壓MOS替代傳統(tǒng)高壓MOS。

QR準(zhǔn)諧振反激技術(shù)是一種在電源電路中廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于實(shí)現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換。該技術(shù)基于準(zhǔn)諧振操作，意味著開關(guān)管(通常是MOSFET)在開啟時(shí)，開關(guān)管會(huì)在諧振谷底開通從而達(dá)到近似零電壓開通，大大減小了開關(guān)管的開啟損耗，從而提高了電源的效率。同時(shí)電源的頻率可以根據(jù)負(fù)載需求進(jìn)行調(diào)整，以提高輕載效率。

由于諧振操作和較低的能量損耗，QR技術(shù)通常比傳統(tǒng)開關(guān)電源更高效。這意味著更少的電能轉(zhuǎn)化為熱量，因此電源更為節(jié)能。同時(shí)QR技術(shù)在開啟時(shí)電壓變化相對(duì)平滑，減少了電源產(chǎn)生的高頻噪聲，降低了電磁干擾，有助于滿足電磁兼容性要求。

降低開關(guān)損耗，提高效率，逐漸成為小功率AC-DC的主流控制方案;在中大功率市場(chǎng)， 80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金對(duì)效率、待機(jī)功耗的要求逐步提高，具有軟開關(guān)特性的變換器開始流行，如諧振變換器、移相全橋等。在該階段，AC-DC IC產(chǎn)品主要以歐美和臺(tái)系模擬IC企業(yè)為主。

【第四階段】2010年以來(lái)，隨著手機(jī)快充市場(chǎng)的快速發(fā)展，AC-DC電源效率、功率密度均有大幅提升。

市場(chǎng)需求的變化催化AC-DC IC產(chǎn)品技術(shù)加速迭代，性能與集成度越來(lái)越高，充電功率從最早的5W提升至200W，待機(jī)功耗從最初的0.3W提升到現(xiàn)在的75mW，功率密度從0.2W/cc提高到2W/cc。

功率密度的大幅提升離不開第三代半導(dǎo)體的助力，氮化鎵是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，它可在更高的頻率下運(yùn)行，且具有更快的開關(guān)速度和更低的功耗。2018年前后，隨著氮化鎵器件成本的下降和可靠性的提高，氮化鎵器件具有的高頻開關(guān)性能和低導(dǎo)通阻抗成為下一代電源適配器的關(guān)鍵技術(shù)。但氮化鎵器件同時(shí)也具有低寄生電容的特點(diǎn)，在高頻開關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景中，驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路中的寄生電感會(huì)形成高頻振鈴從而降低了器件的可靠性，同時(shí)加劇系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題。

【第五階段】2015年隨著 iPhone支持PD充電協(xié)議后，氮化鎵快充史世級(jí)提升電源功率密度

氮化鎵快充控制器廣泛國(guó)產(chǎn)化，專門針對(duì)氮化鎵器件所優(yōu)化的獨(dú)有差分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)適配驅(qū)動(dòng)電壓可對(duì)氮化鎵器件直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且將氮化鎵功率器件、驅(qū)動(dòng)和控制器高度集成與整合，利用合封將電路板上的連接導(dǎo)線，整合到封裝內(nèi)部，降低寄生參數(shù)對(duì)開關(guān)的影響。這些技術(shù)即精簡(jiǎn)了外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也提升了產(chǎn)品的可靠性并節(jié)約成本，能最大程度發(fā)揮出氮化鎵器件的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在中大功率市場(chǎng)，能耗需求也進(jìn)一步提升，不同廠家推出多種基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅的新型半橋軟開關(guān)拓?fù)?，?yīng)對(duì)大功率應(yīng)用。

AC-DC 市場(chǎng)前景

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，全球AC-DC芯片市場(chǎng)在2022年達(dá)到311.84億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到637.49億美元，在2023-2029年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.94%。在全球強(qiáng)調(diào)能源效率和減少碳排放的大環(huán)境下，AC-DC芯片在節(jié)能電源中至關(guān)重要。提高效率，減少轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失成為轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的首要追求。