分享高效率宽电压输出之小型化电源方案
高功率密度电源设计一直为电源界最热门的议题，近年来各式消费型产品文宣着墨在小型化与轻量化的设计。随着半导体材料与制程的进步，或是突发其来的机构设计灵感，让我们能持续见证电源尺寸不断地突破即有限制，完成不可能的任务。
高功率密度电源设计一直为电源界最热门的议题，近年来各式消费型产品文宣着墨在小型化与轻量化的设计。随着半导体材料与制程的进步，或是突发其来的机构设计灵感，让我们能持续见证电源尺寸不断地突破即有限制，完成不可能的任务。
当下电源产业受惠于消费者对于高速网路、运算速度与高画质的追求，系统用电量增加造就新的市场需求，新系统亦配载更高的蓄电力用以延长使用时间，需要更高的充电功率。此外，单电压充电器在市场上已逐渐无法满足需求，因使用者可能拥有多个不同电压的智能设备，例如9V快充功能手机、15V平板电脑与20V的笔记型电脑，为减少外出便携的重量，或维持桌面整洁，消费者倾向使用支援宽电压的电源，同时Type C支援系统线材的整合，推波助澜下带动整个PD市场持续成长。目前规范下的PD电源20V最大可支援100W，可应用于高运算处理规格的笔记型电脑或中大型显示器。此高功率产品的市场需求有增加的趋势，只要电源供应75W以上就须谨守IEC 61000-3-2功率因素相关规范，即便是暂态时间为数分钟或数秒钟，而电源电路包含之功因电路 (PFC)，电路架构几乎采用临界导通模式之升压转换器 (Critical Condition Mode Boost)，鲜少有变化。针对PFC后端的PWM级，较少文献在此应用条件下比较架构特点，本文将与读者分享各常用架构与混成返驰式 (Hybrid Flyback) 应用于宽电压电源之优势，并分享半导体元件封装选用之概念。本文最终分享一100W小型化PD电路平台采用混成式返驰式架构，提供读者参考。
图1、USB PD规范电流与功率对应图[1]
关于高效率DC-DC转换器，一般设计直觉会联想到半桥谐振转换器，在业界方案也较为纯熟。然而，针对宽范围输出的应用，若以LLC（图2右上）设计可支援广范围电压增益的谐振槽，除了采用相对漏感于激磁电感的比例较大的设计方式，或是采用常见于LED照明的LCC架构 [2]，可降低输出输出电压范围内的频率变化，但增加磁性元件成本与初级导通损耗仍使产品应用受限。回归至效率优化后的LLC架构，在输出端增加一降压转换器可支援宽电压输出，并在输出满电压条件下旁路降压转换器，在此条件下可取得高效率，但此举也会增加电路空间与零件数量，使功率密度无法最佳化。故当今PD应用首选之架构仍多以返驰式为主。
回归到传统型返驰式架构（图2左上）普遍应用于宽电压输出，若要进一步提升电路效率，必须有漏感能量回收机制，将漏感能量转移至谐振电容或输入端，而转换器须藉由启始的负向电流达成零电压切换(ZVS，Zero voltage switching)以降低开关切换损耗，因此电路拓朴将有2个开关元件。主动位箝位型返驰式转换器(ACF，Active-Clamp Flyback) （图3右上）相较于传统返驰式转换器增加上臂开关，其提供路径将回收漏感能量之电容透过变压器导引至变压器次级侧，并且上臂与下臂开关导通前之初始状态为负电流，开关皆可达成零电压切换。
图3右下方架构属于半桥的一种，其主开关位置连接至输入端母线电压，谐振电容则与变压器串联，初级侧看起来近似于LLC架构，次级侧与返驰式转换器同为单边绕组。此架构在业界较为少见，动作原理如下(图3)：
上臂开关导通，启始电流为负向，此延续上周期达到零电压导通的状态。此时变压器开始储能，犹如返驰式转换器变压器储能的机制，变压器端电压为输入电压与谐振电容电压的差值，此决定变压器电流上升的斜率。实际上电路主要为激磁电感与谐振电容共振，但由于谐振频率过低，故电流波形近似于线性上升之三角波。
上臂开关截止，变压器电流续流，使下臂开关未导通前的初始电流为负向，下臂开关达到零电压切换。
下臂开关导通，谐振电容向变压器释能同时与变压器漏感共振，故次级电流为弦式波形。直到谐振周期结束，二次侧电流截止，谐振电容则持续对激磁电感负向储能。由此周期可得知，输出电压与谐振电容电压为变压器圈数比之关系，因此输入与输出电压的关系式为：VIN/VO = N/Duty，其中N为变压器初次级的圈数比。Duty为主开关导通时间对开关周期的占比。
下臂开关截止，在上臂开关导通前负向的激磁电流协助上臂开关达到零电压切换。此阶段需求之负电流大小与选用开关的杂散电容(Coss)有关，与ACF雷同。选用Coss较小的MOSFET 或宽能隙半导体，则ZVS的能量需求较小，能更进一步降低回路上的导通损耗。
由于此架构上臂做为主开关，在导通的同时对变压器与谐振电容储能，下臂开关导通时能量传送方式则类似于LLC，故有文献将其名为Hybrid Flyback(HFB)[3]。
图2、电路架构比较图[3]
图3、 HFB简易动作原理
针对中大功率(>75W)之宽电压应用，下表一为架构比较包含开关元件应力，基于常用之变压器圈数比范围，输入端母线电压390Vdc，输出电压范围5V~20V。HFB适用设计为拉高变压器圈数比以降低二次侧开关电压应力，而初级开关应力仅为母线电压。此优势回馈在元件耐压的选用上，对于高压开关常用额定600V仍有足够设计裕度，无论初级或次级侧可选择更低导通电阻或低杂散电容的开关器件。
表一、架构应用比较表
关于小型化电源内部空间分布，变压器等被动元件占大部份容积，由于高频化设计可缩小储能元件体积，部份设计者采用平面变压器有利于产品模组化与薄型化设计，也可进一步降低高频操作时的集肤效应与邻近效应带来的损耗，在消费型产品市场逐渐展露优势。其次为功率半导体封装占用的空间，随着半导体封装技术提升，可采用贴片式功率晶体较易实现薄型化电源或PCB模组化设计。支援的应用涵盖自最前端的主动式桥式整流器(Active Bridge) ，PFC电路至PWM级开关与同步整流电路，目前业界皆有通盘的对策(图4)。SMD封装ThinPAK8x8或ThinPAK5x6高度仅1mm，对于产品厚度的缩减有莫大帮助，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热点，间接降低产品的外壳温度，如图5为半导体封装对壳温之影响。
图4、薄型化SMD元件选用示意图
图5、TO252与ThinPAK封装对于壳温之比较示意图
下图为一数位控制器实现之100W混成返驰式电源平台，支援5V~20V 输出，满载操作频率为190kHz。PFC控制晶片采用小型5 pin封装之IRS2505，PD控制晶片采用CYPD3174，功率半导体皆采用英飞凌之1mm之薄型化SMD封装设计：PFC 级采用ThinPAK8x8/600V/180m?，PWM级采用ThinPAK5x6/ 600V/360m?，SR开关采用ThinPAK5x6/80V/2.6m?，电源功率密度不含机构外壳与线材可达42W/inch3。实测极端条件下之90Vac满载效率最高可达92.5%。以下仍有方式可进一步提升效率，可作为未来优化性能之参考： (1) 低压AC输入条件下电路主要损耗为桥式整流二极体，若将其改为主动式 (Active Bridge) 可望提升效率至93%以上。 (2) 宽能隙半导体应用于半桥类架构可减少ZVS需求能量，间接降低初级导通损耗。
图6、以混成返驰式转换器实现100W宽范围输出电源
以上阐述混成返驰式转换器应用于宽电压范围之优势，附带SMD封装选用之经验分享。此架构亦可推广应用于LED驱动电路、支援充电功能之智能家电与其他电池充电之应用。
参考文献
[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
（来源：英飞凌科技，作者：洪士恒，资深主任工程师）
