高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)一(yi)直(zhi)為(wei)電(dian)源(yuan)界(jie)最(zui)熱(re)門(men)的(de)議(yi)題(ti)，近(jin)年(nian)來(lai)各(ge)式(shi)消(xiao)費(fei)型(xing)產(chan)品(pin)文(wen)宣(xuan)著(zhe)墨(mo)在(zai)小(xiao)型(xing)化(hua)與(yu)輕(qing)量(liang)化(hua)的(de)設(she)計(ji)。隨(sui)著(zhe)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)與(yu)製(zhi)程(cheng)的(de)進(jin)步(bu)
，或(huo)是(shi)突(tu)發(fa)其(qi)來(lai)的(de)機(ji)構(gou)設(she)計(ji)靈(ling)感(gan)，讓(rang)我(wo)們(men)能(neng)持(chi)續(xu)見(jian)證(zheng)電(dian)源(yuan)尺(chi)寸(cun)不(bu)斷(duan)地(di)突(tu)破(po)即(ji)有(you)限(xian)製(zhi)，完(wan)成(cheng)不(bu)可(ke)能(neng)的(de)任(ren)務(wu)。

 

當下電源產業受惠於消費者對於高速網路、運yun算suan速su度du與yu高gao畫hua質zhi的de追zhui求qiu，係xi統tong用yong電dian量liang增zeng加jia造zao就jiu新xin的de市shi場chang需xu求qiu，新xin係xi統tong亦yi配pei載zai更geng高gao的de蓄xu電dian力li用yong以yi延yan長chang使shi用yong時shi間jian，需xu要yao更geng高gao的de充chong電dian功gong率lv。此ci外wai
，單dan電dian壓ya充chong電dian器qi在zai市shi場chang上shang已yi逐zhu漸jian無wu法fa滿man足zu需xu求qiu
，因yin使shi用yong者zhe可ke能neng擁yong有you多duo個ge不bu同tong電dian壓ya的de智zhi能neng設she備bei，例li如ru9V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(jin)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(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）xiangjiaoyuchuantongfanchishizhuanhuanqizengjiashangbikaiguan，qitigonglujingjianghuishoulougannengliangzhidianrongtouguobianyaqidaoyinzhibianyaqicijice，bingqieshangbiyuxiabikaiguandaotongqianzhichushizhuangtaiweifudianliu

，kaiguanjiekedachenglingdianyaqiehuan。 

 

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。

 

xiabikaiguandaotong
，xiezhendianrongxiangbianyaqishinengtongshiyubianyaqilougangongzhen，gucijidianliuweixianshiboxing。zhidaoxiezhenzhouqijieshu，ercicedianliujiezhi，xiezhendianrongzechixuduijicidianganfuxiangchuneng。youcizhouqikedezhi，shuchudianyayuxiezhendianrongdianyaweibianyaqiquanshubizhiguanxi，yincishuruyushuchudianyadeguanxishiwei：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。HFBshiyongshejiweilagaobianyaqiquanshubiyijiangdiercicekaiguandianyayingli，erchujikaiguanyinglijinweimuxiandianya。ciyoushihuikuizaiyuanjiannaiyadexuanyongshang，duiyugaoyakaiguanchangyongeding600V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tu5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）