淺談軟切換ZVS實現小型化高效率AC-DC設計

作者 : 金承葦,茂綸應用工程經理

在溫室效應的議題下,設計更節能、更省電、更高效率的AC-DC Converter,符合日趨嚴格的能源效率規範,更具技術上的挑戰。

身處於21世紀的科技爆發年代,使用3C電子用品已經是現代人日常生活的一部分,而且對於用電的需求也越來越高。在溫室效應的議題下,為了減少碳排放量,設計更節能、更省電、更高效率的交直流轉換器(AC-DC Converter),符合日趨嚴格的能源效率規範,也是更具技術上的挑戰。

電源供應器(Power Supply)的發展也由早期的線性式電源供應器(Linear Power Supply)演進到切換式電源供應器(Switch Power Supply,SPS)。其中馳返式轉換器(Flyback Converter)最被廣泛的應用在開關模式電源供應器(Switch Mode Power Supply,SMPS)場域,是AC-DC Converter重要的里程碑,多用於150W以下的電源供應器。由於早期控制方式以Hard Switching為最主要控制方式,但早些年前由於能源效率規範效果不彰,製造商最常使用的Hard Switching控制器也致使SMPS效率較為低落,甚至介於50%~70%較低的能源轉換效率。

近年來地球暖化效應日趨嚴重,人們開始重視節能減碳及能源效率的提升,而溫室效應也加速了SMPS的時代演進,先進國家紛紛對於SMPS制定相關節能規範,以提高轉換效率及降低待機功耗,如美國美國環保署(Environmental Protection Agency,EPA)與美國能源部(Department of Energy,DoE)共同贊助的能源之星(Energy Star)計劃。Energy Star針對於電子產品與外接式電源供應器(External Power Supply)的節能規格,制定全球能見度最高的能源效率認證計劃,許多國家的法規也將SMPS產品的能源效率納入認證項目之一。

在1998年時隸屬DoE的勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)提出了一個評估,單就美國一年SMPS產品的待機功耗就佔據住宅用電的5%,以當時LBNL的估算,相當浪費30億美元的電力。DoE通過每六年一次的專家審查,將認證時的負載定義在空載、25%、50%、75%、滿載等作為基礎提升,傳統我們比較注重SMPS的滿載效率,如此並不能有效的減少能源的浪費,未來的節能法規將會更注重在待機與輕載效率的提升。

美國將DoE能源規範頒佈成節能法規,欲銷售到北美地區的SMPS產品必須經過節能認證才能銷售,經由強制認證致使SMPS產品進入了更高效率的節能時代。現今的SMPS需要更小的體積、更高的能源效率、更低的廢熱、更低的待機功耗,以及更小的雜訊產生。最被SMPS廣泛採用的Flyback控制電路,也漸漸的由Hard Switching控制,經過長久的進化,進入到節能高效率Soft Switching控制的新領域(圖1)。

 

圖1:SMPS控制電路演化。

 

Hard Switching由於在電源輸出輕載及重載的狀況下都維持在最高的工作頻率,操作在輕載高工作頻率的狀態導致高頻損失增加,致使輕載效率通常呈現較低水準的效率表現℃Multi-Mode-Control對比Hard Switching控制方式,其最佳化了重載、中載、輕載工作效率,在輕載時將工作頻率降低到較低,以避免輕載高頻切換損失。Soft switching的Quasi Resonant (準諧振或谷底切換)也已經在市場上使用多年,利用諧振特性進一步把MOSFET開關切換在低於輸入電壓以下達成效率的最佳化。另外,近年來Soft Switching的零電壓切換(Zero Voltage Switch,ZVS)和主動鉗位馳返式轉換器(Active Clamp Flyback,ACF)等控制方式也正在長足發展。

高頻率寬能隙的氮化鎵-場效應電晶體(GaN-FET)也在市場中逐漸取代傳統的MOSFET,使用比以往更高工作頻率的ZVS搭配GaN-FET除了提升效率外,也將SMPS變的更加地小型化。此類新技術不斷推進能源效率的提升,節省了不必要的電力損耗,也進一步對降低碳排放量做出貢獻,對使用者而言也帶來了重量更輕且體積更小,也更方便於攜帶的SMPS。

在SMPS中擔任開關工作的MOSFET其電氣特性與本體電容寄生效應,會在開關切換期間形成傳導損失(Conduction Loss)與切換損失(Switching Loss)。在開關切換的過程中,MOSFET在Turn On時因為本身導通電阻,形成傳導損失Conduction,又因為驅動MOSFET時,因為MOSFET寄生電容也會導致開關斜率,故MOSFET由導通轉到截止或是由截止轉到導通,MOSFET都會有電壓電流同時存在的重疊交越區域,而這個電壓電流同時存在的現象造成了切換損失,如圖2所示VDS與ID交疊部分就是所謂的Switching Loss。

 

圖2:Switching Loss。

 

為了降低Hard Switching Loss硬切換損失,軟切換Soft Switching的發展最佳化解決MOSFET居高不下的Switching Loss開關切換損失。Soft Switching的ZVS便是利用零電壓切換將MOSFET Turn On在接近零電壓導通來降低開關切換時的功率損失。開關切換損失在MOSFET電壓電流交越的,藉由ZVS控制技術可大幅度的降低MOSFET在Turn On時的交越損失,藉此便能在操作期間將變壓器連接MOSFET端點電壓下降趨近為零。ZVS操作(圖3)在MOSFET端點電壓VDS在接近0V的狀態下導通,如此使得MOSFET電壓及電流交越的乘積變小,進而降低切換損失。

 

圖3:ZVS操作。

 

瑞薩電子(Renesas Electronics)專注於AC-DC轉換器並深耕ZVS技術多年,推出了採用數位核心及特殊演算法的ZVS控制方式的iW9802晶片。相較傳統的65KHz工作頻率,iW9802允許切換頻率最高可達200KHz,效率與工作頻率同時能夠拉高,就能使用更小型的變壓器與更小的輸出電容,系統零件體積減少,更高的操作效率也使本體的廢熱減少,有效提升功率體積Power Density,目前的製程技術已可達到Power Density介於>1W/CC~2W/CC的水準。

Renesas搭載ZVS控制引擎的iW9802,已經實現高性能的Flyback拓樸ZVS控制,Renesas專利的自適應ZVS控制技術(Adaptive ZVS technology),在電源系統中能主動的將VDS調節至電壓低點,更進一步的在接近零電壓時將MOSFET Turn On,真正實現高效率的MOSFET開通低損耗,有效提高電源轉換效率(圖4)。藉由Adaptive ZVS使65W電源供應器的效率提升,總體平均效率可提升至92%以上,單點平均效率更可高達到94%以上,Adaptive ZVS輔助了電源系統在的高壓線路時的切換損耗大幅度縮減。

 

圖4:Renesas自適應ZVS控制技術。

 

寬範圍的AC輸入90VAC~264VAC,輸出直流電力為20V*3.25A的65W的輸出功率,廣泛應用在市場上的Flyback轉換器仍然是兼顧成本與效能最佳的選擇。搭配Renesas Adaptive ZVS iW9802控制器來驅動Flyback(圖5),藉由Adaptive ZVS高效率的零電壓切換效能,大幅度的降低開關切換損耗,實際電路僅需要在傳統線路增加ZVS 繞組與小訊號用的MOSFET,便可建構高效率的ZVS控制線路。ZVS繞組除了在變壓器中可作為降低EMI屏蔽層使用外,並可吸收變壓器部分的漏感能量,降低發熱量,最高工作頻率也可達到200KHz,可適當縮小變壓器以及輸出電容。iW9802搭載多項專利技術,多模式控制(Multi-Mode Control),數位類比混合控制技術(Mixed-Signal Control),以及Adaptive ZVS控制,兼顧了低成本與更高效率表現。

 

圖5:搭配Renesas Adaptive ZVS iW9802控制器來驅動Flyback。

 

iW9802 Adaptive ZVS使用的ZVS繞組,在主開關MOSFET Turn On之前,ZVS繞組透過ZVS MOSFET短暫導通反推能量,藉此讓變壓器電感和線路中的寄生電容產生諧振,如此便能降低主開關上的電壓。透過Renesas Adaptive ZVS專利控制技術,在90VAC~264VAC交流電壓、輸出直流電壓和負載電流的全部範圍操作條件下,為主開關建立一個最佳化的ZVS導通條件。在操作期間,ZVS輔助回收了部分變壓器上的漏感能量,並有效降低開關損耗。相較於ACF控制器,ZVS控制器可以將整體成本降低,因為它不需要高壓驅動器和額外的高壓MOSFET (通常使用600V耐壓)多餘零件,高效率低成本的ZVS達到與ACF拓撲幾乎同等的效率範圍。

65W的SMPS使用iW9802作為初級側控制器,次級同步整流器(SR) iW610作為次級側控制器。iW9802使用高階的數位演算法控制技術來實現Adaptive ZVS,激發電源系統更高的工作效能。SMPS產品的體積取決於滿載效率和開關頻率,高工作頻率跟高效率就等於小體積。為了滿足各種能源效率的節能標準,實現在全負載範圍的高效率而不帶來聽覺雜訊等問題。

iW9802在控制方面採用了Renesas獨特的Adaptive Multi-Mode Control專利控制技術,在滿載和重載時採用高頻的PWM模式,從重載到輕載開關頻率則相應降低,其調變方式依序為PWM、PFM、DPWM (Deep PWM)和Burst模式。iW9802內建了主開關和ZVS開關的驅動器,其Adaptive ZVS根據SMPS的資訊即時反饋,採用超精確的數位演算法,逐開關週期檢視並動態地調整ZVS的控制時序。因此,無論輸入輸出電壓及負載如何變化,或者更換何種主開關MOSFET,Adaptive ZVS都可以應對自如,相對的在ZVS運作期間優化整體的工作週期,從而大大降低Switching Loss,除了回收能量外,並可實現較低的EMI。若進一步搭配SR+PD (USB Power Delivery)控制器iW709,Power Consumption (待機功耗)更能低於30mW的水準。

SMPS領域正迅速地朝向更高功率、高功率密度、高效率、小型化、高性能、低成本等方向發展。Renesas Adaptive ZVS的iW9802和iW610、iW709晶片組合的高功率密度解決方案,可實現高功率密度和高輸出精度的設計。

 

 

 

活動簡介
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