使用易用的切換式電源供應器 (SMPS) 矩陣，簡化電源供應器的設計

設計人員在設計電子產品或元件時，勢必需要合適的電源供應器。功率元件從幾十瓦到數千瓦不等，因此找到合適元件可能不容易。除了有數以千計的選項之外，還得匹配整流器、功率控制器、開關和閘極驅動器，這個問題可能會拖慢設計過程、增加成本並影響完成日期。

簡化問題的方法之一，就是一開始就使用可靠供應商的智慧型功率元件系列，並使用其線上工具協助您作出最佳選擇。例如，一個根據應用、拓撲、元件和關鍵特性所組織的切換式電源供應器 (SMPS) 元件矩陣，可以加速選擇和設計的過程。

本文簡要討論 SMPS 的設計。接著介紹 onsemi 的 SMPS 元件矩陣，此矩陣連接橋式整流器、控制器、閘極驅動器，以及與每個應用功率等級相容的電源開關。這矩陣說明關鍵的產品定義，並提供如何使用此矩陣簡化元件選擇的範例。

SMPS 設計

針對功率等級為 100 W 的 USB 電力傳輸 (PD) 應用，請考慮使用基本交流線路供電式 SMPS 的關鍵元件 (圖 1)。電源供應器的線路或一次側，通常需要整流器、功率因數校正 (PFC) 控制器、電源控制器、光耦合器、閘極驅動器和電源開關。二次側通常需要同步整流控制器 (SRC)、同步整流器 (SR) 開關、USB PD 控制器和光耦合器。

圖 1：圖中所示為典型 100 W SMPS 的主要元件。(圖片來源：onsemi，經作者修改)

此設計的元件與功率等級相匹配。設計人員必須選擇 PFC 和功率控制的一次側拓撲，以及二次側整流器和穩壓器的拓撲。設計人員可以基於這些決定選擇個別元件。

這就是 onsemi SMPS 矩陣有助於選擇電源供應器元件的原因 (圖 2)。

圖 2：圖中所示為互動式 SMPS 矩陣，此矩陣根據電源供應器的功率級別和首選拓撲，幫助設計人員選擇主動元件。(圖片來源：onsemi)

SMPS 矩陣根據功率等級和密度選擇設計，選擇結果出現在左側的前兩個直欄中。最高功率等級位於頂部，向下逐列遞減至底部橫列。功率等級從 5 W 到 3 kW 以上不等。由於功率密度是每單位體積的功率測量值，超高功率產生的電源供應器比高密度封裝更小。這兩種封裝選擇的替代方案是薄型封裝。矩陣根據功率等級設定電源供應器的電壓位準。

此矩陣中的每個功率等級條目都有一到三列的推薦元件，對應著功率密度的選項，為一次側和二次側拓撲提供選定的元件。標記為 N/A 的條目，表示該項不適用於該特定功率等級和密度。

整流器欄列出與匹配之功率等級相應的橋式整流器建議元件。在某些情況下，此條目是無橋式。這會發生在不需要整流器橋接器的情況下，因為其他元件 (例如圖騰柱 PFC) 已取代其功能。PFC 欄位中的「快腳 (fast leg)」和「慢腳 (slow leg)」條目會快速識別圖騰柱 PFC。這些 PFC 具有以線路頻率運作的慢腳開關，而快腳開關則以更高、更典型的切換頻率運作。

此矩陣根據所需的功率等級建議一次側拓撲，而且推薦具有四種常見拓撲任何一種的控制器元件，這四種包括返馳式 (切換器)、主動箝位返馳式 (ACF)、準諧振 (QR) 返馳式，或電感-電感-電容式 (LLC)。

返馳式轉換器是一種隔離的電源供應器拓撲，在一次側和二次側之間沒有直接的電氣連接。當電源開關元件關閉時，耦合電感將能量從一次側傳輸到二次側。轉換器的電壓控制在固定頻率下使用脈寬調變 (PWM) 開關維持。

ACF 設計使用耦合電感的返馳式概念，將能量從一次側傳輸到二次側。此設計還使用一個主動元件，將耦合電感的洩漏電感放電或箝位至電容上，以便將 MOSFET 電源開關的壓力最小化。

QR 返馳式拓撲使用電路的寄生電感和電容來獲得接近諧振的響應，並在汲極電壓最低點打開電源開關。這種「軟切換」可減少轉換器的切換損耗。 由此產生的切換頻率不是固定的，並且會隨著負載變化。

LLC 轉換器使用完全諧振的響應，確保有真正的零汲極電壓切換。即使在空載情況下，此轉換器也能降低切換損耗，非常適合更高的功率等級。

推薦的控制器集中在特定的功率範圍內，為最低功率等級使用切換器，為中等功率的供應使用 QR 和 ACF，為更高功率等級使用 LLC 轉換器。

此矩陣包含詳細的 SMPS 方塊圖，說明十一個特定設計中元件之間的連接關係，涵蓋標籤內所提供的五種不同功率等級和密度 (圖 3)。

圖 3：此矩陣包含十一個特定設計的詳細 SMPS 方塊圖，涵蓋標籤內所提供的五種不同功率等級和密度。(圖片來源：onsemi)

一旦選擇了功率等級和密度，就可以從此矩陣中適當的功率等級橫列，和拓撲特定的直欄中選擇元件。按一下有超連結的元件編號，會打開此矩陣的展開檢視畫面，其中螢光標示的編號會連結至 DigiKey 的零件編號 (圖 4)。

圖 4：按一下原始矩陣中任何有超連結的零件編號，會打開展開的二次側矩陣，其中包含 DigiKey 零件項目。(圖片來源：onsemi)

所選橫列和拓撲中所列的任何元件都彼此相容。

使用此矩陣的方式

USB PD 的 100 W SMPS 最適合作為中等功率等級的說明範例，此範例類似於先前圖 1 方塊圖中顯示的單元。查看此矩陣會發現，70 W 到 200 W 的功率等級橫列涵蓋所需的 100 W 電源供應。在「功率密度額定值」欄中選擇「高」，會顯示展開的矩陣，其中包含必要元件的連結 (圖 5)。

圖 5：綠色方框列出在展開矩陣中 100 W 高密度 SMPS 元件的選項。藍色零件編號會連結到相關的 DigiKey 產品篩選頁面。(圖片來源：onsemi)

國際法規 (尤其是歐盟法規) 會要求在功率等級為 75 W 或更高時使用 PFC。此處推薦的 PFC 控制器為 onsemi NCP1623。NCP1623 是一款小型增壓 PFC 控制器，可支援高達 300 W，適合用於快速充電式電源配接器和模組化電腦電源供應器，以滿足這類應用對成本效益、可靠性、高功率因素和效率的基本要求。本產品需要一個外部橋式整流器，推薦使用 onsemi GBU6M 或 GBU6K。相容的 PFC 電源開關是 onsemi NTP125N60S5H，這是一款快速 MOSFET，額定值為 600 V 的最大汲極對源極電壓 (V_DSS)，22 A 的最大汲極電流 (I_D)，125 mΩ 的汲極-源極導通電阻 (R_{DS (ON)})。

推薦使用的一次側控制器為 onsemi NCP1343 高頻 QR 返馳式控制器。這是一款理想的控制器，適用於 AC/DC 轉接器和開放式電源供應器，因其整合現代 SMPS 設計所需的所有必要元件，且其與 NVD260N65S3 電源開關相匹配，此開關的額定值為 650 V_DSS、12 A I_D，以及 260 mΩ 的 R_{DS (ON)}。

onsemi NPC4307 是電源供應器二次側的同步整流驅動器。當此驅動器與 onsemi NTMFSC010N08M7 MOSFET 開關一起使用時，可以確保高效率的同步整流，而 MOSFET 開關的額定值則為 80 V_DSS、61 A I_D，以及 10 mΩ 的 R_{DS (ON)}。

設計的最後一個主要階段是選擇 USB PD 控制器，此控制器能夠管理 AC/DC 轉接器二次側，或 DC/DC 連接埠電源穩壓器上的光耦合器。此矩陣建議在電源供應器輸出處使用 onsemi FUSB15101PD3.0 協定控制器 (可支援 USB 可編程電源供應器 (PPS))，並使用 onsemiNTTFS4C02NTAG N 通道 MOSFET，其額定值為 30 V_DSS 和 164 A I_D。其 R_{DS (ON)} 在 10 V 時為 2.25 mΩ，在 4.5 V 時則為 3.1 mΩ。

所產生的電源供應器可作為 onsemi NCP1343PD100WGEVB 評估板 (圖 6) 來供應，且其輸出電壓範圍為 3.1 V 至 21 V。其平均效率在 115 V 或 230 V_AC 輸入下為 92%。封裝尺寸為 60 x 60 x 19 mm，功率密度為 24 W/in.³。

圖 6：圖中所顯示的是 100 W USB PD 電源供應器公版設計的上畫面 (左) 和下畫面 (右)，此設計使用 SMPS 矩陣所選元件。(圖片來源：onsemi)

結論

onsemi SMPS 矩陣有助於輕鬆選擇使用的電源供應器元件，可確保所選關鍵元件與設計的功率等級相匹配。此矩陣可減少尋找零件所需的時間，並提供可立即取得規格書和報價的連結。