圖1、USB PD規(guī)范電流與功率對應(yīng)圖[1]
分享高效率寬電壓輸出之小型化電源方案
發(fā)布時(shí)間:2021-08-25 來源:英飛凌,洪士恒 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】高功率密度電源設(shè)計(jì)一直為電源界最熱門的議題,近年來各式消費(fèi)型產(chǎn)品文宣著墨在小型化與輕量化的設(shè)計(jì)。隨著半導(dǎo)體材料與制程的進(jìn)步,或是突發(fā)其來的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感,讓我們能持續(xù)見證電源尺寸不斷地突破即有限制,完成不可能的任務(wù)。
高功率密度電源設(shè)計(jì)一直為電源界最熱門的議題,近年來各式消費(fèi)型產(chǎn)品文宣著墨在小型化與輕量化的設(shè)計(jì)。隨著半導(dǎo)體材料與制程的進(jìn)步,或是突發(fā)其來的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感,讓我們能持續(xù)見證電源尺寸不斷地突破即有限制,完成不可能的任務(wù)。
當(dāng)下電源產(chǎn)業(yè)受惠于消費(fèi)者對于高速網(wǎng)路、運(yùn)算速度與高畫質(zhì)的追求,系統(tǒng)用電量增加造就新的市場需求,新系統(tǒng)亦配載更高的蓄電力用以延長使用時(shí)間,需要更高的充電功率。此外,單電壓充電器在市場上已逐漸無法滿足需求,因使用者可能擁有多個(gè)不同電壓的智能設(shè)備,例如9V快充功能手機(jī)、15V平板電腦與20V的筆記型電腦,為減少外出便攜的重量,或維持桌面整潔,消費(fèi)者傾向使用支援寬電壓的電源,同時(shí)Type C支援系統(tǒng)線材的整合,推波助瀾下帶動(dòng)整個(gè)PD市場持續(xù)成長。目前規(guī)范下的PD電源20V最大可支援100W,可應(yīng)用于高運(yùn)算處理規(guī)格的筆記型電腦或中大型顯示器。此高功率產(chǎn)品的市場需求有增加的趨勢,只要電源供應(yīng)75W以上就須謹(jǐn)守IEC 61000-3-2功率因素相關(guān)規(guī)范,即便是暫態(tài)時(shí)間為數(shù)分鐘或數(shù)秒鐘,而電源電路包含之功因電路 (PFC),電路架構(gòu)幾乎采用臨界導(dǎo)通模式之升壓轉(zhuǎn)換器 (Critical Condition Mode Boost),鮮少有變化。針對PFC后端的PWM級,較少文獻(xiàn)在此應(yīng)用條件下比較架構(gòu)特點(diǎn),本文將與讀者分享各常用架構(gòu)與混成返馳式 (Hybrid Flyback) 應(yīng)用于寬電壓電源之優(yōu)勢,并分享半導(dǎo)體元件封裝選用之概念。本文最終分享一100W小型化PD電路平臺(tái)采用混成式返馳式架構(gòu),提供讀者參考。
圖1、USB PD規(guī)范電流與功率對應(yīng)圖[1]
關(guān)于高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器,一般設(shè)計(jì)直覺會(huì)聯(lián)想到半橋諧振轉(zhuǎn)換器,在業(yè)界方案也較為純熟。然而,針對寬范圍輸出的應(yīng)用,若以LLC(圖2右上)設(shè)計(jì)可支援廣范圍電壓增益的諧振槽,除了采用相對漏感于激磁電感的比例較大的設(shè)計(jì)方式,或是采用常見于LED照明的LCC架構(gòu) [2],可降低輸出輸出電壓范圍內(nèi)的頻率變化,但增加磁性元件成本與初級導(dǎo)通損耗仍使產(chǎn)品應(yīng)用受限?;貧w至效率優(yōu)化后的LLC架構(gòu),在輸出端增加一降壓轉(zhuǎn)換器可支援寬電壓輸出,并在輸出滿電壓條件下旁路降壓轉(zhuǎn)換器,在此條件下可取得高效率,但此舉也會(huì)增加電路空間與零件數(shù)量,使功率密度無法最佳化。故當(dāng)今PD應(yīng)用首選之架構(gòu)仍多以返馳式為主。
回歸到傳統(tǒng)型返馳式架構(gòu)(圖2左上)普遍應(yīng)用于寬電壓輸出,若要進(jìn)一步提升電路效率,必須有漏感能量回收機(jī)制,將漏感能量轉(zhuǎn)移至諧振電容或輸入端,而轉(zhuǎn)換器須藉由啟始的負(fù)向電流達(dá)成零電壓切換(ZVS,Zero voltage switching)以降低開關(guān)切換損耗,因此電路拓樸將有2個(gè)開關(guān)元件。主動(dòng)位箝位型返馳式轉(zhuǎn)換器(ACF,Active-Clamp Flyback) (圖3右上)相較于傳統(tǒng)返馳式轉(zhuǎn)換器增加上臂開關(guān),其提供路徑將回收漏感能量之電容透過變壓器導(dǎo)引至變壓器次級側(cè),并且上臂與下臂開關(guān)導(dǎo)通前之初始狀態(tài)為負(fù)電流,開關(guān)皆可達(dá)成零電壓切換。
圖3右下方架構(gòu)屬于半橋的一種,其主開關(guān)位置連接至輸入端母線電壓,諧振電容則與變壓器串聯(lián),初級側(cè)看起來近似于LLC架構(gòu),次級側(cè)與返馳式轉(zhuǎn)換器同為單邊繞組。此架構(gòu)在業(yè)界較為少見,動(dòng)作原理如下(圖3):
上臂開關(guān)導(dǎo)通,啟始電流為負(fù)向,此延續(xù)上周期達(dá)到零電壓導(dǎo)通的狀態(tài)。此時(shí)變壓器開始儲(chǔ)能,猶如返馳式轉(zhuǎn)換器變壓器儲(chǔ)能的機(jī)制,變壓器端電壓為輸入電壓與諧振電容電壓的差值,此決定變壓器電流上升的斜率。實(shí)際上電路主要為激磁電感與諧振電容共振,但由于諧振頻率過低,故電流波形近似于線性上升之三角波。
上臂開關(guān)截止,變壓器電流續(xù)流,使下臂開關(guān)未導(dǎo)通前的初始電流為負(fù)向,下臂開關(guān)達(dá)到零電壓切換。
下臂開關(guān)導(dǎo)通,諧振電容向變壓器釋能同時(shí)與變壓器漏感共振,故次級電流為弦式波形。直到諧振周期結(jié)束,二次側(cè)電流截止,諧振電容則持續(xù)對激磁電感負(fù)向儲(chǔ)能。由此周期可得知,輸出電壓與諧振電容電壓為變壓器圈數(shù)比之關(guān)系,因此輸入與輸出電壓的關(guān)系式為:VIN/VO = N/Duty,其中N為變壓器初次級的圈數(shù)比。Duty為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間對開關(guān)周期的占比。
下臂開關(guān)截止,在上臂開關(guān)導(dǎo)通前負(fù)向的激磁電流協(xié)助上臂開關(guān)達(dá)到零電壓切換。此階段需求之負(fù)電流大小與選用開關(guān)的雜散電容(Coss)有關(guān),與ACF雷同。選用Coss較小的MOSFET 或?qū)捘芟栋雽?dǎo)體,則ZVS的能量需求較小,能更進(jìn)一步降低回路上的導(dǎo)通損耗。
由于此架構(gòu)上臂做為主開關(guān),在導(dǎo)通的同時(shí)對變壓器與諧振電容儲(chǔ)能,下臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)能量傳送方式則類似于LLC,故有文獻(xiàn)將其名為Hybrid Flyback(HFB)[3]。
圖2、電路架構(gòu)比較圖[3]
圖3、 HFB簡易動(dòng)作原理
針對中大功率(>75W)之寬電壓應(yīng)用,下表一為架構(gòu)比較包含開關(guān)元件應(yīng)力,基于常用之變壓器圈數(shù)比范圍,輸入端母線電壓390Vdc,輸出電壓范圍5V~20V。HFB適用設(shè)計(jì)為拉高變壓器圈數(shù)比以降低二次側(cè)開關(guān)電壓應(yīng)力,而初級開關(guān)應(yīng)力僅為母線電壓。此優(yōu)勢回饋在元件耐壓的選用上,對于高壓開關(guān)常用額定600V仍有足夠設(shè)計(jì)裕度,無論初級或次級側(cè)可選擇更低導(dǎo)通電阻或低雜散電容的開關(guān)器件。
表一、架構(gòu)應(yīng)用比較表
關(guān)于小型化電源內(nèi)部空間分布,變壓器等被動(dòng)元件占大部份容積,由于高頻化設(shè)計(jì)可縮小儲(chǔ)能元件體積,部份設(shè)計(jì)者采用平面變壓器有利于產(chǎn)品模組化與薄型化設(shè)計(jì),也可進(jìn)一步降低高頻操作時(shí)的集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)帶來的損耗,在消費(fèi)型產(chǎn)品市場逐漸展露優(yōu)勢。其次為功率半導(dǎo)體封裝占用的空間,隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)提升,可采用貼片式功率晶體較易實(shí)現(xiàn)薄型化電源或PCB模組化設(shè)計(jì)。支援的應(yīng)用涵蓋自最前端的主動(dòng)式橋式整流器(Active Bridge) ,PFC電路至PWM級開關(guān)與同步整流電路,目前業(yè)界皆有通盤的對策(圖4)。SMD封裝ThinPAK8x8或ThinPAK5x6高度僅1mm,對于產(chǎn)品厚度的縮減有莫大幫助,大幅提升功率密度的百分比。此外,降低元件厚度可有效阻隔熱點(diǎn),間接降低產(chǎn)品的外殼溫度,如圖5為半導(dǎo)體封裝對殼溫之影響。
圖4、薄型化SMD元件選用示意圖
圖5、TO252與ThinPAK封裝對于殼溫之比較示意圖
下圖為一數(shù)位控制器實(shí)現(xiàn)之100W混成返馳式電源平臺(tái),支援5V~20V 輸出,滿載操作頻率為190kHz。PFC控制晶片采用小型5 pin封裝之IRS2505,PD控制晶片采用CYPD3174,功率半導(dǎo)體皆采用英飛凌之1mm之薄型化SMD封裝設(shè)計(jì):PFC 級采用ThinPAK8x8/600V/180m?,PWM級采用ThinPAK5x6/ 600V/360m?,SR開關(guān)采用ThinPAK5x6/80V/2.6m?,電源功率密度不含機(jī)構(gòu)外殼與線材可達(dá)42W/inch3。實(shí)測極端條件下之90Vac滿載效率最高可達(dá)92.5%。以下仍有方式可進(jìn)一步提升效率,可作為未來優(yōu)化性能之參考: (1) 低壓AC輸入條件下電路主要損耗為橋式整流二極體,若將其改為主動(dòng)式 (Active Bridge) 可望提升效率至93%以上。 (2) 寬能隙半導(dǎo)體應(yīng)用于半橋類架構(gòu)可減少ZVS需求能量,間接降低初級導(dǎo)通損耗。
圖6、以混成返馳式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)100W寬范圍輸出電源
以上闡述混成返馳式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于寬電壓范圍之優(yōu)勢,附帶SMD封裝選用之經(jīng)驗(yàn)分享。此架構(gòu)亦可推廣應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路、支援充電功能之智能家電與其他電池充電之應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] https://www.usb.org/document-library/usb-power-delivery
[2] https://www.edntaiwan.com/20190213ta31-achieve-wide-voltage-led-constant-current-drive/
[3] https://www.mdpi.com/2079-9292/7/12/363
(來源:英飛凌科技,作者:洪士恒,資深主任工程師)
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