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功率技術/新能源  

利用整流技術提高SMPS效率和功率密度

上網時間: 2009年10月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SMPS  LLC  LCD 

效能表現、體積和效率等優點,使LLC串聯諧振式轉換器成為高階消費產品應用偏好採用的電源技術。但未來二次側架構必須有所改進,才能帶來更高效率和節省更多空間。

消費性電子產品例如家庭劇院、遊戲機和LCD電視,都要求高效率及小體積,使電源設計偏向採用能夠在高切換頻率下運行的諧振技術。高頻特性讓設計可應用更小巧的磁性元件,而諧振轉換器的軟換向(soft communication)也讓交換式電源供應器(SMPS)能以低電磁干擾(EMI)有效地運作。

諧振轉換器的特色

在各種諧振轉換器技術當中,LLC轉換器已經成為切換機制的必然選擇。雖然設計師建立LLC轉換器的過程就像基本的串聯諧振LC轉換器般容易,但這種簡易設計卻能夠克服包括難以在輕載下維持調節的缺點。在高輸入電壓下,它都可以有效改善效率,所以使切換損失較導通損耗明顯。LLC諧振技術為變壓器的主要繞線加上了一個分流電感(圖1)。這種設計通常採用變壓器的磁性電感,並藉著調節變壓器的氣隙來控制。該技術提供的複合式諧振槽在軟開關區域提供升降壓變換特性。

圖1:半橋LLC串聯諧振式轉換器。
圖1:半橋LLC串聯諧振式轉換器。

圖1顯示,正常情況下一次側MOSFET是按50%工作週期運行,並透過改變轉換器的切換頻率來調節輸出電壓。轉換器擁有兩個諧振頻率:一個是由Lm(激磁電感)、Lr(諧振電感)、Cr(諧振電容)以及負載所決定的較低諧振頻率;另外一個是由Lr和Cr釐定的較高固定串聯諧振頻率Fr1。二次側半橋能夠在整個負載範圍,藉著把轉換器設定在高於或低於Fr1運行來進行軟開關。傳統來說,二次側半橋會利用一雙二極管來部署,但這種安排其實欠缺效率,因為二極管損耗是SMPS整體功率損耗的主要構成部分。隨著新一代消費性產品提供更多功能,並且需要更大電流,這些損耗也會不斷提高,因為二極管整流傳導損耗是與順向傳導電流以及順向壓降的積成正比。同時,增加耗散便要採用更大的二極管,導致電源的體積日益增大。

由此可見,有兩個十分強大的因素迫使設計師要求LLC諧振轉換器擁有更佳的二次側技術。對電流在50W或以上的電源來說,爭取更大的功率密度,以盡量減少電源容器的體積是重要的考慮。至於在200W至400W範圍,務求提升效率以滿足像能源之星和CEC 80+等計劃,則是電源設計師積極尋找消除二次側二極管耗損方法的主要原因。

同步二次側整流

由於MOSFET傳導耗損取決於I2 x RDS(ON),把電流分流到兩個同步MOSFET,每個元件的耗損便能夠減少四分之一,也就可以把總耗散降低一半。

然而,同步整流器最常見的控制技術並不適用於LCC諧振式轉換器。例如在主控制同步整流器中,MOSFET控制訊號由一次側訊號產生,LLC諧振轉換器在諧振槽的輸入電壓與整流二次側電流之間有一個相位的差異。這樣可防止一次側閘極被用作驅動二次側整流器。另外一個自行控制整流技術的控制訊號,則是由跨越功率變壓器的二次側電壓所產生,但在整流二次側電流及主功率變壓器跨壓之間,會出現50%工作週期方波的時間匹配誤差。因此,這種方法不能確保設計可以在低於轉換器諧振槽頻率之下運行順暢。

另一方面,對諧振轉換器來說,採用電流變壓器是一種可行的控制技術。不過這種技術仍有一些缺點,包括所需零件數量比較多,增加了佔位面積,甚至損害了設計的可靠性,並且需要相對昂貴的快速比較器。

在二次側放置控制IC來管理MOSFET的開關,可能是一種較簡單和更具成本效益的方法。藉著省卻電流變壓器和快速比較器,IC解決方案能夠縮小設計的體積和零件數目,但要以單一零件提供所有必需功能,這種解決方案就需要有某些卓越能力,例如能夠把控制功能與高壓感應功能整合到同一元件,以及管理高切換頻率和大電流驅動功能。就以國際整流器公司的IR1168為例,採用高壓IC (HVIC)科技及專利技術來提供二次側整流驅動器IC,以驅動兩個N-通道功率MOSFET,作為諧振轉換器的同步整流器之用。此外,這款元件除了提供兩個閘極驅動器,也會提供自適直通保護去防止兩個通道同時啟動。它還可在正常和區間模式狀態下運行。同時,鉗位閘極驅動器的運行也會顯著減少功率耗散。


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