作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

電子產品或設備的設計人員不可避免地需要合適的電源。功率器件的功率范圍從幾十瓦到幾千瓦 (kW) 不等，要找到合適的元器件可能頗具挑戰性。由于存在成千上萬的元器件選項，選擇并匹配合適的整流器、電源控制器、開關和柵極驅動器可能會拖慢設計進度，并因此增加成本和影響工期。

要簡化這一過程，可以從可信賴的供應商的智能功率器件系列入手，并利用他們的在線工具做出最佳選擇。例如，按應用、拓撲、器件和關鍵特性分類的開關模式電源 (SMPS) 元器件矩陣就可加快選擇和設計過程。

本文將簡要討論 SMPS 設計。然后介紹 [onsemi] 的 SMPS 元器件矩陣，該矩陣將橋式整流器、控制器、柵極驅動器和電源開關連接起來，使之與每種應用的功率水平兼容。還會解釋關鍵產品的定義，并提供如何使用矩陣來簡化元器件選擇的示例。

SMPS 設計

考慮一個用于 USB 供電 (PD) 應用、功率水平為 100 W 的基本交流線路供電 SMPS 的關鍵組成部分（圖 1）。電源的線路或初級側通常需要整流器、功率因數校正 (PFC) 控制器、功率控制器、光耦合器、柵極驅動器和電源開關。次級側通常需要同步整流器控制器 (SRC)、同步整流器 (SR) 開關、USB PD 控制器和光耦合器。

圖 1：所示為典型 100 W SMPS 的主要元器件。（圖片來源：onsemi，由作者修改）

該設計的元器件與功率水平相匹配。設計人員必須選擇用于 PFC 和功率控制的初級側拓撲，以及次級側整流器和穩壓器拓撲。做好這些決定后，他們就可以選擇各個元器件。

這時就可以使用 onsemi [SMPS 矩陣]來幫助選擇電源元器件（圖 2）。

圖 2：所示為交互式 SMPS 矩陣，該矩陣可幫助設計人員根據電源的功率等級和首選拓撲選擇有源元器件。（圖片來源：onsemi）

SMPS 矩陣根據左側前兩列中的功率水平和密度做出設計選擇。最高功率水平位于頂部，向下逐行遞減。功率水平為 5 W 至 3 kW 以上。功率密度是單位體積功率的量度，超高功率密度使得電源供應比高密度封裝更小。除了這兩種封裝選擇外，還有一種扁平封裝。該矩陣根據功率水平設置電源電壓。

矩陣中的每個功率水平條目都有一至三行與功率密度選擇相對應的推薦元器件，為初級側和次級側拓撲提供精選元器件。標記為不適用的條目表示該條目不適用于特定的功率水平和密度。

整流器一欄列出了適用于匹配功率水平的橋式整流器元器件建議。在某些情況下，該條目是無橋式。由于圖騰柱 PFC 等其他元器件取代了整流橋的功能，因此不需要整流橋。PFC 字段中的“快速路徑”和“慢速路徑”條目可快速識別圖騰柱 PFC。這些 PFC 的慢速路徑開關以線路頻率工作，而快速路徑開關則以更高的典型開關頻率工作。

該矩陣會根據所需的功率水平建議主要拓撲。該矩陣推薦使用以下四種常見拓撲中任何一種的控制器設備：反激式（切換器）、有源箝位反激式 (ACF)、準諧振 (QR) 反激式或電感-電感-電容 (LLC)。

反激式轉換器是一種隔離式電源拓撲，初級側和次級側之間沒有直接的電氣連接。當電源開關器件關閉時，耦合電感器會將能量從初級傳輸到次級。轉換器電壓控制采用固定頻率的脈寬調制 (PWM) 開關。

ACF 設計采用耦合電感器的反激概念，將能量從初級傳輸到次級。此外，該設計還使用有源器件將耦合電感器的漏感放電或鉗位到電容器上，以最大限度地減輕對 MOSFET 電源開關的壓力。

QR 反激式拓撲利用電路的寄生電感和電容獲得接近諧振的響應，并以最小的漏極電壓打開電源開關。這種“軟開關”可降低轉換器的開關損耗。由此產生的開關頻率并不固定，而是隨負載而變化。

LLC 轉換器采用全諧振響應，能夠確保真正的零漏極電壓開關。即使在空載條件下，該轉換器也能降低開關損耗，非常適合較高的功率水平。

推薦的控制器根據特定的功率范圍進行分類：最低功率水平使用切換器，中功率水平使用 QR 和 ACF，高功率水平使用 LLC 轉換器。

該矩陣包括詳細的 SMPS 框圖，說明了十一種特定設計的元器件之間的連接，涵蓋可在標記的選項卡中找到的五種不同功率水平和密度（圖 3）。

圖 3：該矩陣包括十一種特定設計的詳細 SMPS 框圖，涵蓋可在標記的選項卡中找到的五種不同功率水平和密度。（圖片來源：onsemi）

一旦選擇了功率水平和密度，就可以從矩陣的相應功率水平行和拓撲特定列中選擇元器件。點擊超鏈接元器件編號可打開矩陣的擴展視圖，其中高亮顯示的編號鏈接到 DigiKey 零件編號（圖 4）。

圖 4：點擊原始矩陣中的任意超鏈接零件編號都會打開擴展二級矩陣（包含指向 DigiKey 零件條目的鏈接）。（圖片來源：onsemi）

所選行和拓撲中列出的任何元器件都是兼容的。

使用矩陣

用于 USB PD 的 100 W SMPS 就是一個很好的中功率水平說明示例，該單元類似于之前在圖 1 框圖中所示的單元。查看該矩陣可知，70 W 至 200 W 功率水平行涵蓋了所需的 100 W 電源。在“功率密度等級”列中選擇“高”后，會彈出包含指向必要元器件的鏈接的擴展矩陣（圖 5）。

圖 5：綠色方框概述了擴展矩陣上適用于 100 W 高密度 SMPS 的元器件選擇。藍色零件編號鏈接到相關的 DigiKey 產品篩選器頁面。（圖片來源：onsemi）

國際法規（尤其是歐盟的法規）要求在功率水平達到或超過 75 W 時使用 PFC。這里推薦的 PFC 控制器是 onsemi [NCP1623]。NCP1623 是一款小尺寸升壓 PFC 控制器，最高可支持 300 W 功率，適用于快速充電電源適配器和模塊化計算機電源，在這些產品中，成本效益、可靠性、高功率因數和效率是基本要求。該控制器需要一個外部橋式整流器，建議使用 onsemi [GBU6M]或 [GBU6K]。兼容的 PFC 電源開關是 onsemi NTP125N60S5H，該開關是一種快速 MOSFET，其額定最大漏源電壓 (V DSS ) 為 600 V，額定最大漏極電流 (I D ) 為 22 A，額定漏源導通電阻 (R DS(ON) ) 為 125 mΩ。

推薦使用的初級側控制器是 onsemi [NCP1343]高頻 QR 反激式控制器。該控制器集成了現代 SMPS 設計所需的所有必要元器件，是 AC/DC 適配器和開放框架電源的理想選擇。該控制器與額定值為 650 V DSS 、12 A I D 、260 mΩ RDS(ON) 的 [NVD260N65S3]電源開關相匹配。

onsemi [NPC4307] 是電源次級側的同步整流驅動器。該控制器與額定值為 80 V DSS 、61 A ID 、10 mΩ R DS(ON ) 的 onsemi [NTMFSC010N08M7]MOSFET 開關結合使用時，可確保高效同步整流。

設計的最后一個重要階段是選擇 USB PD 控制器，該控制器能夠管理 AC/DC 適配器或 DC/DC 端口電源穩壓器次級側的光耦合器。該矩陣建議電源輸出端的 onsemi [FUSB15101] PD3.0 協議控制器（支持 USB 可編程電源 (PPS)）采用額定值為 30 VDSS 和 164 A ID 的 onsemi [NTTFS4C02NTAG]N 溝道 MOSFET。其 RDS(ON) 在 10 V 時為 2.25 mΩ，在 4.5 V 時為 3.1 mΩ。

由此得到的電源可作為 onsemi [NCP1343PD100WGEVB]評估板（圖 6）提供，其輸出電壓范圍為 3.1 V 至 21 V。在輸入 115 V 或 230 VAC 電壓時，其平均效率為 92%。其封裝尺寸為 60 x 60 x 19 mm，功率密度為 24 W/in. ^3^ 。

圖 6：所示為 100 W USB PD 基準電源設計的俯視圖（左）和仰視圖（右），該設計基于使用 SMPS 矩陣選擇的元器件。（圖片來源：onsemi）

結語

onsemi SMPS 矩陣為電源元器件選擇提供了一個易于使用的途徑，能夠確保選擇的兼容關鍵元器件與設計的功率水平相匹配。不僅可縮短尋找零件所需的時間，而且提供規格書和報價的即時鏈接。

審核編輯 黃宇