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)的過程，這一轉(zhuǎn)換過程通常需要使用AC/DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，也就是我們常說的充電器/充電頭。

AC-DC 發(fā)展簡史

AC/DC的發(fā)展可追溯到上世紀(jì)70年代初期，彼時開關(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，主要可分為以下幾個發(fā)展節(jié)點：

【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)壓器通過消耗多余電壓來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸入電壓高于所需輸出電壓時，線性穩(wěn)壓器會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單，但功率小、效率低、發(fā)熱大，無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更低。這是由于線性穩(wěn)壓器必須消耗多余電壓來維持輸出電壓穩(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。其工作原理是通過高頻開關(guān)器件(通常是晶體管或功率MOSFET)來周期性地切換輸入電源電壓，然后通過電感、電容等元件來穩(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，開關(guān)管會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QR技術(shù)在開啟時電壓變化相對平滑，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， 80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金對效率、待機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)品主要以歐美和臺系模擬IC企業(yè)為主。

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

市場需求的變化催化AC-DC IC產(chǎn)品技術(shù)加速迭代，性能與集成度越來越高，充電功率從最早的5W提升至200W，待機功耗從最初的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)。但氮化鎵器件同時也具有低寄生電容的特點，在高頻開關(guān)的應(yīng)用場景中，驅(qū)動電路環(huán)路中的寄生電感會形成高頻振鈴從而降低了器件的可靠性，同時加劇系統(tǒng)的電磁干擾問題。

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

氮化鎵快充控制器廣泛國產(chǎn)化，專門針對氮化鎵器件所優(yōu)化的獨有差分驅(qū)動技術(shù)，通過適配驅(qū)動電壓可對氮化鎵器件直接進(jìn)行驅(qū)動，并且將氮化鎵功率器件、驅(qū)動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)對開關(guān)的影響。這些技術(shù)即精簡了外圍驅(qū)動電路設(shè)計，同時也提升了產(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。同時在中大功率市場，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)對大功率應(yīng)用。

AC-DC 市場前景

根據(jù)調(diào)研機構(gòu)統(tǒng)計及預(yù)測，全球AC-DC芯片市場在2022年達(dá)到311.84億美元，預(yù)計到2029年將達(dá)到637.49億美元，在2023-2029年的預(yù)測期內(nèi)，年復(fù)合增長率為8.94%。在全球強調(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)換過程中的功率損失成為轉(zhuǎn)換器市場的首要追求。