【導(dǎo)讀】高功率密度電源設(shè)計(jì)一直為電源界最熱門(mén)的議題，近年來(lái)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(lái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感，讓我們能持續(xù)見(jiàn)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(mén)的議題，近年來(lái)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(lái)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感，讓我們能持續(xù)見(jiàn)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(duì)于高速網(wǎng)路、運(yùn)算速度與高畫(huà)質(zhì)的追求，系統(tǒng)用電量增加造就新的市場(chǎng)需求，新系統(tǒng)亦配載更高的蓄電力用以延長(zhǎng)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(chǎng)上已逐漸無(wú)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(chǎng)持續(xù)成長(zhǎng)。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(chǎng)需求有增加的趨勢(shì)，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(duì)PFC后端的PWM級(jí)，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(shì)，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(duì)應(yīng)圖[1]
關(guān)于高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器，一般設(shè)計(jì)直覺(jué)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(jí)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(wú)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(kāi)關(guān)切換損耗，因此電路拓樸將有2個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)，其提供路徑將回收漏感能量之電容透過(guò)變壓器導(dǎo)引至變壓器次級(jí)側(cè)，并且上臂與下臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前之初始狀態(tài)為負(fù)電流，開(kāi)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(kāi)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(jí)側(cè)看起來(lái)近似于LLC架構(gòu)，次級(jí)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(jiàn)，動(dòng)作原理如下(圖3)：
上臂開(kāi)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(kāi)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(guò)低，故電流波形近似于線性上升之三角波。
上臂開(kāi)關(guān)截止，變壓器電流續(xù)流，使下臂開(kāi)關(guān)未導(dǎo)通前的初始電流為負(fù)向，下臂開(kāi)關(guān)達(dá)到零電壓切換。
下臂開(kāi)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(jí)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(duì)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(jí)的圈數(shù)比。Duty為主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間對(duì)開(kāi)關(guān)周期的占比。
下臂開(kāi)關(guān)截止，在上臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前負(fù)向的激磁電流協(xié)助上臂開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，在導(dǎo)通的同時(shí)對(duì)變壓器與諧振電容儲(chǔ)能，下臂開(kāi)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(jiǎn)易動(dòng)作原理
針對(duì)中大功率(>75W)之寬電壓應(yīng)用，下表一為架構(gòu)比較包含開(kāi)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(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力，而初級(jí)開(kāi)關(guān)應(yīng)力僅為母線電壓。此優(yōu)勢(shì)回饋在元件耐壓的選用上，對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)常用額定600V仍有足夠設(shè)計(jì)裕度，無(wú)論初級(jí)或次級(jí)側(cè)可選擇更低導(dǎo)通電阻或低雜散電容的開(kāi)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(lái)的損耗，在消費(fèi)型產(chǎn)品市場(chǎng)逐漸展露優(yōu)勢(shì)。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(jí)開(kāi)關(guān)與同步整流電路，目前業(yè)界皆有通盤(pán)的對(duì)策(圖4)。SMD封裝ThinPAK8x8或ThinPAK5x6高度僅1mm，對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)采用ThinPAK8x8/600V/180m?，PWM級(jí)采用ThinPAK5x6/ 600V/360m?，SR開(kāi)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(cè)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(lái)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(jí)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(shì)，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(lái)源：英飛凌科技，作者：洪士恒，資深主任工程師）
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