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分享高效率寬電壓輸出之小型化電源方案

發布時間：2021-08-25 來源：英飛凌，洪士恒責任編輯：lina

【導讀】高功率密度電源設計一直為電源界最熱門的議題，近年來各式消費型產品文宣著墨在小型化與輕量化的設計。隨著半導體材料與制程的進步，或是突發其來的機構設計靈感，讓我們能持續見證電源尺寸不斷地突破即有限制，完成不可能的任務。

高功率密度電源設計一直為電源界最熱門的議題，近年來各式消費型產品文宣著墨在小型化與輕量化的設計。隨著半導體材料與制程的進步，或是突發其來的機構設計靈感，讓我們能持續見證電源尺寸不斷地突破即有限制，完成不可能的任務。

當下電源產業受惠于消費者對于高速網路、運算速度與高畫質的追求，系統用電量增加造就新的市場需求，新系統亦配載更高的蓄電力用以延長使用時間，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不同電壓的智能設備，例如9V快充功能手機、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，消費者傾向使用支援寬電壓的電源，同時Type C支援系統線材的整合，推波助瀾下帶動整個PD市場持續成長。目前規范下的PD電源20V最大可支援100W，可應用于高運算處理規格的筆記型電腦或中大型顯示器。此高功率產品的市場需求有增加的趨勢，只要電源供應75W以上就須謹守IEC 61000-3-2功率因素相關規范，即便是暫態時間為數分鐘或數秒鐘，而電源電路包含之功因電路 (PFC)，電路架構幾乎采用臨界導通模式之升壓轉換器 (Critical Condition Mode Boost)，鮮少有變化。針對PFC后端的PWM級，較少文獻在此應用條件下比較架構特點，本文將與讀者分享各常用架構與混成返馳式 (Hybrid Flyback) 應用于寬電壓電源之優勢，并分享半導體元件封裝選用之概念。本文最終分享一100W小型化PD電路平臺采用混成式返馳式架構，提供讀者參考。

圖1、USB PD規范電流與功率對應圖[1]

關于高效率DC-DC轉換器，一般設計直覺會聯想到半橋諧振轉換器，在業界方案也較為純熟。然而，針對寬范圍輸出的應用，若以LLC（圖2右上）設計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計方式，或是采用常見于LED照明的LCC架構 [2]，可降低輸出輸出電壓范圍內的頻率變化，但增加磁性元件成本與初級導通損耗仍使產品應用受限。回歸至效率優化后的LLC架構，在輸出端增加一降壓轉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換器，在此條件下可取得高效率，但此舉也會增加電路空間與零件數量，使功率密度無法最佳化。故當今PD應用首選之架構仍多以返馳式為主。

回歸到傳統型返馳式架構（圖2左上）普遍應用于寬電壓輸出，若要進一步提升電路效率，必須有漏感能量回收機制，將漏感能量轉移至諧振電容或輸入端，而轉換器須藉由啟始的負向電流達成零電壓切換(ZVS，Zero voltage switching)以降低開關切換損耗，因此電路拓樸將有2個開關元件。主動位箝位型返馳式轉換器(ACF，Active-Clamp Flyback) （圖3右上）相較于傳統返馳式轉換器增加上臂開關，其提供路徑將回收漏感能量之電容透過變壓器導引至變壓器次級側，并且上臂與下臂開關導通前之初始狀態為負電流，開關皆可達成零電壓切換。

圖3右下方架構屬于半橋的一種，其主開關位置連接至輸入端母線電壓，諧振電容則與變壓器串聯，初級側看起來近似于LLC架構，次級側與返馳式轉換器同為單邊繞組。此架構在業界較為少見，動作原理如下(圖3)：

上臂開關導通，啟始電流為負向，此延續上周期達到零電壓導通的狀態。此時變壓器開始儲能，猶如返馳式轉換器變壓器儲能的機制，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。

上臂開關截止，變壓器電流續流，使下臂開關未導通前的初始電流為負向，下臂開關達到零電壓切換。

下臂開關導通，諧振電容向變壓器釋能同時與變壓器漏感共振，故次級電流為弦式波形。直到諧振周期結束，二次側電流截止，諧振電容則持續對激磁電感負向儲能。由此周期可得知，輸出電壓與諧振電容電壓為變壓器圈數比之關系，因此輸入與輸出電壓的關系式為：VIN/VO = N/Duty，其中N為變壓器初次級的圈數比。Duty為主開關導通時間對開關周期的占比。

下臂開關截止，在上臂開關導通前負向的激磁電流協助上臂開關達到零電壓切換。此階段需求之負電流大小與選用開關的雜散電容(Coss)有關，與ACF雷同。選用Coss較小的MOSFET 或寬能隙半導體，則ZVS的能量需求較小，能更進一步降低回路上的導通損耗。

由于此架構上臂做為主開關，在導通的同時對變壓器與諧振電容儲能，下臂開關導通時能量傳送方式則類似于LLC，故有文獻將其名為Hybrid Flyback(HFB)[3]。

圖2、電路架構比較圖[3]

圖3、 HFB簡易動作原理

針對中大功率(>75W)之寬電壓應用，下表一為架構比較包含開關元件應力，基于常用之變壓器圈數比范圍，輸入端母線電壓390Vdc，輸出電壓范圍5V~20V。HFB適用設計為拉高變壓器圈數比以降低二次側開關電壓應力，而初級開關應力僅為母線電壓。此優勢回饋在元件耐壓的選用上，對于高壓開關常用額定600V仍有足夠設計裕度，無論初級或次級側可選擇更低導通電阻或低雜散電容的開關器件。

表一、架構應用比較表

關于小型化電源內部空間分布，變壓器等被動元件占大部份容積，由于高頻化設計可縮小儲能元件體積，部份設計者采用平面變壓器有利于產品模組化與薄型化設計，也可進一步降低高頻操作時的集膚效應與鄰近效應帶來的損耗，在消費型產品市場逐漸展露優勢。其次為功率半導體封裝占用的空間，隨著半導體封裝技術提升，可采用貼片式功率晶體較易實現薄型化電源或PCB模組化設計。支援的應用涵蓋自最前端的主動式橋式整流器(Active Bridge) ，PFC電路至PWM級開關與同步整流電路，目前業界皆有通盤的對策(圖4)。SMD封裝ThinPAK8x8或ThinPAK5x6高度僅1mm，對于產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，間接降低產品的外殼溫度，如圖5為半導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

下圖為一數位控制器實現之100W混成返馳式電源平臺，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，功率半導體皆采用英飛凌之1mm之薄型化SMD封裝設計：PFC 級采用ThinPAK8x8/600V/180m?，PWM級采用ThinPAK5x6/ 600V/360m?，SR開關采用ThinPAK5x6/80V/2.6m?，電源功率密度不含機構外殼與線材可達42W/inch3。實測極端條件下之90Vac滿載效率最高可達92.5%。以下仍有方式可進一步提升效率，可作為未來優化性能之參考： (1) 低壓AC輸入條件下電路主要損耗為橋式整流二極體，若將其改為主動式 (Active Bridge) 可望提升效率至93%以上。 (2) 寬能隙半導體應用于半橋類架構可減少ZVS需求能量，間接降低初級導通損耗。