基于ST STM32G474之500W全橋相移零電壓切換直流-直流轉(zhuǎn)換器數(shù)位電源方案

隨著科技的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品日新月異與半導(dǎo)體制程技術(shù)進(jìn)步，電子產(chǎn)品逐漸要求體積小且效率高。過去研究線性式電源供應(yīng)器(Linear Power Supply)設(shè)計(jì)使用較大的隔離變壓器，其轉(zhuǎn)換效率較低且產(chǎn)生較多的熱，故需要體積較大的散熱片，因而被切換式電源供應(yīng)器取代。
       切換式電源供應(yīng)器(Switching Power Supply)取代線性式電源供應(yīng)器，電源供應(yīng)器若提升切換頻率，可以有效縮小變壓器與電感鐵芯的體積、降低輸入、輸出電容的容值，并且效率較線性式電源供應(yīng)器高，因此切換式電源供應(yīng)器具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)；一般切換式電源供應(yīng)器采用傳統(tǒng)硬式切換，功率晶體管操作頻率增加時(shí)，功率晶體管的切換損失也隨著增加，功率晶體管使用的散熱片不僅體積變大并且使效率降低。
       一般硬式切換(Hard Switching)是當(dāng)功率晶體管在切換時(shí)，因?yàn)樽儔浩饕淮蝹?cè)諧振電感、線路雜散電感與功率晶體管的寄生電容，導(dǎo)致功率晶體管導(dǎo)通時(shí)，汲極－源極(Drain-Source)電壓尚未降零，功率晶體管的汲極－源極電流已經(jīng)開始上升，造成功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的切換損失；功率晶體管截止時(shí)，功率晶體管的 尚未降為零，功率晶體管的 已經(jīng)開始上升，造成功率晶體管截止時(shí)的切換損失，導(dǎo)通時(shí)功率晶體管之汲極－源極的電流快速上升產(chǎn)生電流突波，此電流突波可能導(dǎo)致功率晶體管燒毀，截止時(shí)功率晶體管之汲極－源極的電壓快速上升產(chǎn)生電壓突波，此電壓突波可能導(dǎo)致功率晶體管燒毀，因此使用硬式切換造成功率晶體管須承受更大的切換突波(Switching Surge)以及切換損失，隨著切換頻率提升，電路整體的效率也會跟著下降。使用硬式切換會產(chǎn)生切換突波，也會造成噪聲干擾誤動(dòng)作，導(dǎo)致功率晶體管穩(wěn)定性與電路效率下降。
       因此若采用柔性切換的技術(shù)，可大幅改善功率晶體管的切換損失。采用全橋相移式架構(gòu)，利用電路隔離變壓器一次側(cè)漏感(Leakage Inductance)與外加諧振電感兩者之和即為諧振電感與功率晶體管之寄生電容達(dá)到共振效果，使功率晶體管導(dǎo)通前其汲極－源極電壓降為零，即為零電壓切換，讓電路整體效率提升。柔性切換中使用零電流切換即為功率晶體管截止時(shí)，功率晶體管的電流已經(jīng)下降至零后其電壓才開始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低截止時(shí)之切換損失；零電壓切換即為功率晶體管導(dǎo)通時(shí)，功率晶體管的電壓已經(jīng)下降至零后其電流才開始上升，使功率晶體管上電壓與電流的乘積為零，降低導(dǎo)通時(shí)之切換損失。柔性切換技術(shù)可以降低硬式切換的切換損失，并抑制切換突波，降低電磁干擾，增加功率晶體管性能。

?場景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

STM32G4系列基于ST現(xiàn)有的高性能和高能效創(chuàng)新技術(shù)，例如，ART Accelerator?和CCM-SRAM Routine Booster分別提升了內(nèi)存-高速緩存的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)訪存性能，確保應(yīng)用整體性能和實(shí)時(shí)性能俱佳，同時(shí)功耗在能效預(yù)算范圍內(nèi)。ST的新硬件數(shù)學(xué)加速器再次提升芯片的運(yùn)算性能，引入Filter-Math Accelerator（FMAC）濾波算法加速器和CORDIC專用引擎。新硬件加速器可以加快一些算法的指令周期，例如，電機(jī)控制應(yīng)用中的旋轉(zhuǎn)和向量三角法，以及一般的對數(shù)、雙曲線和指數(shù)函數(shù)、訊號調(diào)理IIR / FIR濾波算法或數(shù)字電源3p / 3z控制器，以及卷積和相關(guān)函數(shù)等向量函數(shù)。STM32G4系列基于一顆170MHz的Arm?Cortex?-M4高速內(nèi)核，具有浮點(diǎn)單元和DSP擴(kuò)展指令集支持功能，性能測試取得213DMIPS和550 CoreMark?[1]的優(yōu)異成績。從先進(jìn)的工藝技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)功能，到先進(jìn)的外設(shè)睡眠/喚醒管理功能，節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)無處不在。

其它重要的新功能包括：

? 一個(gè)高分辨率定時(shí)器，有12個(gè)獨(dú)立信道，每個(gè)信道分辨率為184ps，有溫漂和電壓漂移自補(bǔ)償功能

? 多達(dá)25個(gè)先進(jìn)模擬外設(shè)：       

- 多達(dá)5個(gè)400萬次/秒12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），有硬件過采樣功能，可實(shí)現(xiàn)16位分辨率       

- 多達(dá)6個(gè)高速、高增益帶寬運(yùn)算放大器，內(nèi)部1％增益設(shè)定       

- 多達(dá)7個(gè)1500萬次/秒12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）       

- 多達(dá)7個(gè)比較器，傳播延遲為16.7ns

? CAN-FD工業(yè)通訊技術(shù)，有效載荷比特率是標(biāo)準(zhǔn)CAN的8倍

? 運(yùn)行模式功耗低于165μA/ MHz，延長電池續(xù)航時(shí)間

? 容量更大的片上RAM，高達(dá)128KB，有同位功能

? 閃存容量高達(dá)512KB，有錯(cuò)誤校驗(yàn)功能（ECC）

? 增加DMA和外部中斷的靈活可變性

? 為優(yōu)化數(shù)字或模擬功能，分為三大產(chǎn)品系列：基本系列、增強(qiáng)系列和高分辨率系列

因此，新G4系列完善了現(xiàn)有的STM32F3系列。G4的性能是F3的三倍，最高工作溫度達(dá)到125°C，雙區(qū)內(nèi)存支持實(shí)時(shí)韌體升級，增加LQFP80和LQFP128等新封裝。STM32G4穩(wěn)健性很強(qiáng)，抗電氣干擾，特別是快速瞬態(tài)脈沖（FTB）耐受能力最高達(dá)到5

?方案規(guī)格

1. Input Voltage: 400V；

2. Output Voltage: 12V;

3. Output Power: 500W;

4. Maximum Output Current: 42A;

5. Switching Frequency: 100kHz.