gaogonglvmidudianyuanshejiyizhiweidianyuanjiezuiremendeyiti
，jinnianlaigeshixiaofeixingchanpinwenxuanzhemozaixiaoxinghuayuqinglianghuadesheji。suizhebandaoticailiaoyuzhichengdejinbu，huoshitufaqilaidejigoushejilinggan，rangwomennengchixujianzhengdianyuanchicunbuduanditupojiyouxianzhi，wanchengbukenengderenwu。

 

當下電源產業受惠於消費者對於高速網路
、yunsuansuduyugaohuazhidezhuiqiu
，xitongyongdianliangzengjiazaojiuxindeshichangxuqiu，xinxitongyipeizaigenggaodexudianliyongyiyanchangshiyongshijian，xuyaogenggaodechongdiangonglv。ciwai
，dandianyachongdianqizaishichangshangyizhujianwufamanzuxuqiu，yinshiyongzhekenengyongyouduogebutongdianyadezhinengshebei
，liru9V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
，或維持桌麵整潔，消費者傾向使用支援寬電壓的電源
，同時Type C支援係統線材的整合，推波助瀾下帶動整個PD市場持續成長。目前規範下的PD電源20V最大可支援100W，可應用於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

，隻要電源供應75W以上就須謹守IEC 61000-3-2功率因素相關規範
，即便是暫態時間為數分鍾或數秒鍾
，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後端的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) 應用於寬電壓電源之優勢，並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電路平台采用混成式返馳式架構，提供讀者參考。

關於高效率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，針對寬範圍輸出的應用
，若以LLC（圖2右上）設計可支援廣範圍電壓增益的諧振槽
，除了采用相對漏感於激磁電感的比例較大的設計方式
，或是采用常見於LED照明的LCC架構 [2]，可降低輸出輸出電壓範圍內的頻率變化，但增加磁性元件成本與初級導通損耗仍使產品應用受限。回歸至效率優化後的LLC架jia構gou，在zai輸shu出chu端duan增zeng加jia一yi降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi可ke支zhi援yuan寬kuan電dian壓ya輸shu出chu，並bing在zai輸shu出chu滿man電dian壓ya條tiao件jian下xia旁pang路lu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi，在zai此ci條tiao件jian下xia可ke取qu得de高gao效xiao率lv，但dan此ci舉ju也ye會hui增zeng加jia電dian路lu空kong間jian與yu零ling件jian數shu量liang
，使shi功gong率lv密mi度du無wu法fa最zui佳jia化hua。故gu當dang今jinPD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(pu)遍(bian)應(ying)用(yong)於(yu)寬(kuan)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)，若(ruo)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升(sheng)電(dian)路(lu)效(xiao)率(lv)，必(bi)須(xu)有(you)漏(lou)感(gan)能(neng)量(liang)回(hui)收(shou)機(ji)製(zhi)，將(jiang)漏(lou)感(gan)能(neng)量(liang)轉(zhuan)移(yi)至(zhi)諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)或(huo)輸(shu)入(ru)端(duan)
，而(er)轉(zhuan)換(huan)器(qi)須(xu)藉(ji)由(you)啟(qi)始(shi)的(de)負(fu)向(xiang)電(dian)流(liu)達(da)成(cheng)零(ling)電(dian)壓(ya)切(qie)換(huan)(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xiang較jiao於yu傳chuan統tong返fan馳chi式shi轉zhuan換huan器qi增zeng加jia上shang臂bi開kai關guan，其qi提ti供gong路lu徑jing將jiang回hui收shou漏lou感gan能neng量liang之zhi電dian容rong透tou過guo變bian壓ya器qi導dao引yin至zhi變bian壓ya器qi次ci級ji側ce
，並bing且qie上shang臂bi與yu下xia臂bi開kai關guan導dao通tong前qian之zhi初chu始shi狀zhuang態tai為wei負fu電dian流liu，開kai關guan皆jie可ke達da成cheng零ling電dian壓ya切qie換huan。 

 

圖3右下方架構屬於半橋的一種

，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，初級側看起來近似於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)：

 

shangbikaiguandaotong，qishidianliuweifuxiang
，ciyanxushangzhouqidadaolingdianyadaotongdezhuangtai。cishibianyaqikaishichuneng
，yourufanchishizhuanhuanqibianyaqichunengdejizhi，bianyaqiduandianyaweishurudianyayuxiezhendianrongdianyadechazhi，cijuedingbianyaqidianliushangshengdexielv。shijishangdianluzhuyaoweijicidianganyuxiezhendianronggongzhen


，danyouyuxiezhenpinlvguodi，gudianliuboxingjinsiyuxianxingshangshengzhisanjiaobo。

 

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(xia)臂(bi)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)，諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)向(xiang)變(bian)壓(ya)器(qi)釋(shi)能(neng)同(tong)時(shi)與(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)漏(lou)感(gan)共(gong)振(zhen)
，故(gu)次(ci)級(ji)電(dian)流(liu)為(wei)弦(xian)式(shi)波(bo)形(xing)。直(zhi)到(dao)諧(xie)振(zhen)周(zhou)期(qi)結(jie)束(shu)，二(er)次(ci)側(ce)電(dian)流(liu)截(jie)止(zhi)，諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)則(ze)持(chi)續(xu)對(dui)激(ji)磁(ci)電(dian)感(gan)負(fu)向(xiang)儲(chu)能(neng)。由(you)此(ci)周(zhou)期(qi)可(ke)得(de)知(zhi)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)與(yu)諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)為(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)圈(quan)數(shu)比(bi)之(zhi)關(guan)係(xi)
，因(yin)此(ci)輸(shu)入(ru)與(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)關(guan)係(xi)式(shi)為(wei)：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。

 

由於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於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

，基於常用之變壓器圈數比範圍，輸入端母線電壓390Vdc，輸出電壓範圍5V~20V。HFB適(shi)用(yong)設(she)計(ji)為(wei)拉(la)高(gao)變(bian)壓(ya)器(qi)圈(quan)數(shu)比(bi)以(yi)降(jiang)低(di)二(er)次(ci)側(ce)開(kai)關(guan)電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)，而(er)初(chu)級(ji)開(kai)關(guan)應(ying)力(li)僅(jin)為(wei)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)。此(ci)優(you)勢(shi)回(hui)饋(kui)在(zai)元(yuan)件(jian)耐(nai)壓(ya)的(de)選(xuan)用(yong)上(shang)
，對(dui)於(yu)高(gao)壓(ya)開(kai)關(guan)常(chang)用(yong)額(e)定(ding)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

 

guanyuxiaoxinghuadianyuanneibukongjianfenbu
，bianyaqidengbeidongyuanjianzhandabufenrongji，youyugaopinhuashejikesuoxiaochunengyuanjiantiji，bufenshejizhecaiyongpingmianbianyaqiyouliyuchanpinmozuhuayuboxinghuasheji

，yekejinyibujiangdigaopincaozuoshidejifuxiaoyingyulinjinxiaoyingdailaidesunhao，zaixiaofeixingchanpinshichangzhujianzhanluyoushi。qiciweigonglvbandaotifengzhuangzhanyongdekongjian，suizhebandaotifengzhuangjishutisheng，kecaiyongtiepianshigonglvjingtijiaoyishixianboxinghuadianyuanhuoPCB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(dui)於(yu)產(chan)品(pin)厚(hou)度(du)的(de)縮(suo)減(jian)有(you)莫(mo)大(da)幫(bang)助(zhu)，大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)。此(ci)外(wai)，降(jiang)低(di)元(yuan)件(jian)厚(hou)度(du)可(ke)有(you)效(xiao)阻(zu)隔(ge)熱(re)點(dian)
，間(jian)接(jie)降(jiang)低(di)產(chan)品(pin)的(de)外(wai)殼(ke)溫(wen)度(du)，如(ru)圖(tu)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封裝對於殼溫之比較示意圖

 

下圖為一數位控製器實現之100W混成返馳式電源平台，支援5V~20V 輸出，滿載操作頻率為190kHz。PFC控製晶片采用小型5 pin封裝之IRS2505

，PD控製晶片采用CYPD3174，功率半導體皆采用英飛淩之1mm之薄型化SMD封裝設計：PFC 級采用ThinPAK8x8/600V/180mΩ，PWM級采用ThinPAK5x6/ 600V/360mΩ，SR開關采用ThinPAK5x6/80V/2.6mΩ
，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) 寬能隙半導體應用於半橋類架構可減少ZVS需求能量，間接降低初級導通損耗。

 

圖6、以混成返馳式轉換器實現100W寬範圍輸出電源

 

以上闡述混成返馳式轉換器應用於寬電壓範圍之優勢，附帶SMD封裝選用之經驗分享。此架構亦可推廣應用於LED驅動電路、支援充電功能之智能家電與其他電池充電之應用。

 

參考文獻

[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：英飛淩科技，作者：洪士恒
，資深主任工程師）