TI 電源應(yīng)用研討會 揭密高效節(jié)能新未來

為滿足電子產(chǎn)品對于更高功率供應(yīng)、更快充電速度、更節(jié)能，以及更小型、輕量化的充電器等各種需求，近來電源設(shè)計技術(shù)持續(xù)演進與發(fā)展，除了導(dǎo)入新的GaN功率元件之外，既有已廣泛應(yīng)用的USB標準，也已制定了新的EPR（擴充電源范圍）規(guī)范，最高可支持240W的功率輸出能力。

此外，針對各類倚賴電池供電的產(chǎn)品來說，如何強化電池管理系統(tǒng)設(shè)計，延長電池續(xù)航力，也是日益重要的議題。這些新興的電源設(shè)計技術(shù)在帶來應(yīng)用商機的同時，也帶來了新的設(shè)計挑戰(zhàn)。為了協(xié)助工程師掌握最新的技術(shù)趨勢，德州儀器（TI）日前特地舉辦了電源技術(shù)研討會，探索了包括先進GaN電源設(shè)計、高效電源轉(zhuǎn)換、以及擴充電源范圍（EPR）技術(shù)等議題，以及TI提供的完整解決方案。

半橋GaN IC簡化高功率密度充電器設(shè)計

TI系統(tǒng)工程師YangLin Chen首先介紹100W以下USB Type-C充電器的拓樸架構(gòu)。目前筆記本電腦或智能手機的充電器設(shè)計常采用準諧振反馳式（quasi-resonant flyback）拓樸架構(gòu)。此架構(gòu)雖具備設(shè)計簡易、元件數(shù)量較低的優(yōu)點，但卻有效率較低，且會由于切換損失而使功率密度無法提升。

對此，TI提出了主動箝位返馳（Active Clamp Flyback；ACF）拓樸架構(gòu)。其優(yōu)點是，透過零電壓開關(guān)（ZVS）設(shè)計，可達到大于92%的較高效率，并實現(xiàn)更高的功率密度（>20W/cub inch）。然而，此架構(gòu)的缺點是，需要較多的元件，且設(shè)計復(fù)雜度較高。ACF設(shè)計的復(fù)雜度，主要是因為所有的參數(shù)（包括寄生參數(shù)）都會影響系統(tǒng)效能，而且部分參數(shù)還會彼此交互影響，例如匝數(shù)比會影響負載比和電流峰值。由于復(fù)雜度高，若采用開環(huán)式控制模擬，結(jié)果會不準確，但若用閉環(huán)式控制模擬，又太過耗時。

為克服此問題，TI提供了通過驗證的ACF設(shè)計工具，它是以Excel為基礎(chǔ)的計算工具，不僅快速且準確，還能與加載其他的模擬器或運算工具，進行更詳細的計算。針對采用ACF架構(gòu)的高功率密度充電器，TI提供一款半橋式GaN元件LMG2610，可簡化其設(shè)計。它整合了電位移轉(zhuǎn)器和高側(cè)自舉式電路，可提升可靠度與縮小體積。此整合式GaN元件，與分立式方案相比，可節(jié)省70%的元件數(shù)量。

最后，YangLin Chen介紹了65WUSB Type-C充電器范例，可達到>93.1%的電源效率，且透過利用半橋式GaN以及ACF架構(gòu)，可大幅提升功率密度達>1.22W/cc。

電源供應(yīng)濾波器IC及獨立式主動EMI濾波器（AEF）IC

TI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理Red Yen表示，電源管理設(shè)計面臨了多項挑戰(zhàn)，包括EMI、功率密度、低Iq、低雜訊、以及隔離等。AEF新技術(shù)主要是為了解決EMI和功率密度問題所開發(fā)的。

在電源供應(yīng)系統(tǒng)中，因為采用大型被動濾波器，使得減少電磁干擾 （EMI） 變得更具挑戰(zhàn)性。在TI的電源供應(yīng)濾波器IC產(chǎn)品組合中，當作電容放大器在操作的主動 EMI 濾波器（AEF）IC可實現(xiàn)高達30 dB的額外EMI 衰減，最多可將共模濾波器中扼流器的電感值降低80%。

AEF主要可用來因應(yīng)AC-DC和DC-DC系統(tǒng)中的共模（CM）和差模（DM）EMI挑戰(zhàn)。AEF IC 可傳感共模 EMI電壓干擾，并將抵消雜訊電流回注到電源線，有效放大濾波器電容，以利于使用更小的扼流器。

AEF IC可縮減高功率密度解決方案中的EMI濾波器尺寸、重量及成本，并達到國際無線電干擾特別委員會 （CISPR）11、CISPR 32及CISPR 25 EMI要求。此外，透過AEF IC讓大型磁性元件體積縮小，如此即可減少產(chǎn)生的熱量，并提高系統(tǒng)可靠性。

TI的TPSF12C1/3/-Q1可降低共模放射，以符合AC/DC系統(tǒng)中嚴格的EMI標準。Red Yen說明了AEF IC的幾個實際應(yīng)用，包括汽車的車載充電器（OBC）、服務(wù)器電源供應(yīng)器，以及相關(guān)的設(shè)計資源。

圖騰柱無橋PFC中的控制挑戰(zhàn)

TI系統(tǒng)工程師LiehChung Yin比較了傳統(tǒng)PFC與圖騰柱無橋PFC的差異。首先，傳統(tǒng) PFC 中的二極管電橋會導(dǎo)致顯著的功率損耗，約1.7% @ 90V （Vin,RMS）。而圖騰柱 PFC 的功率損耗可減少許多，因為電流路徑中只有 2 個開關(guān) （2 Rdson），可達到99%的效率。

但是，圖騰柱無橋PFC的主要問題是，在AC零交叉（AC Zero-crossing）會出現(xiàn)電流突波（spikes）。此現(xiàn)象會造成不佳的總諧波失真（THD），亦會影響EMI。

LiehChung Yin介紹了克服此問題的解決方案，包括AC零交叉?zhèn)蓽y、電流傳感，以及如何控制雙向電流等。最后總結(jié)說，與其他PFC拓樸相比，圖騰柱無橋PFC可提供最佳效率，但同時也帶來了設(shè)計上的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可以透過TI C2000 或 UCD3138 等數(shù)碼電源控制器來解決。

此外，LiehChung Yin亦在「電源供應(yīng)設(shè)計中常見錯誤」場次中，討論了許多常見設(shè)計問題與原因。他解析的設(shè)計應(yīng)用包括，非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器、AC-DC返馳轉(zhuǎn)換器、電源供應(yīng)布局、以及利用寬能隙元件（GaN和SiC FET）的電源供應(yīng)等。

使用電量計 IC 延長電池壽命

TI應(yīng)用工程師Summer Huang表示，依不同的整合程度，電池IC元件可分為保護、監(jiān)控、和計量三大類。TI電量計具備了準確容量指示、量測、增強保護與驗證、智能充電、實時健康指示等多項特性。

電量計IC可量測電池的電壓、電流與溫度，以預(yù)估電池儲存電量、阻抗以及剩余電量，以確保安全充電與放電。此外，電量計IC還可作為安全診斷與保護、驗證等功能。透過量測電池的溫度／使用時間，計算其阻抗，是準確預(yù)測電量的關(guān)鍵。

TI專利的Impedance Track演算法可實現(xiàn) 95% 高精度電池容量測量，透過充電電壓測量、溫度、電池特性，判斷電池充電狀態(tài)與容量。透過硬件開發(fā)的新創(chuàng)新與Impedance Track 演算法結(jié)合，使TI的產(chǎn)品能夠在不同條件下進行高精度測量。此外，支持智能充電的Maxlife演算法，可有效延長電池壽命。它的優(yōu)點是，無需完全放電來解決容量衰減問題，以及連續(xù)電池平衡，無需等到接近使用壽命才進行電池平衡。阻抗測量可指示電芯溫度，以便立即提供保護以減少熱應(yīng)力。

隨著電池成為許多應(yīng)用中的主要儲能和電源，電池的有效使用、其運行時間、效能和壽命是系統(tǒng)的關(guān)鍵方面。透過硬件開發(fā)的新創(chuàng)新與Impedance Track演算法結(jié)合，使TI的產(chǎn)品能夠在不同條件下進行高精度測量。

LLC 拓撲的電源傳輸與全新返馳波谷切換

TI應(yīng)用工程師John Cummings首先介紹了各種不同的切換方式，包括硬切換、波谷切換、準諧振（QR）、零電壓（ZVS）切換等，以及這些切換技術(shù)適用的情況。舉例來說，準諧振控制器在高負載時的效率最高，波谷切換控制器則是在整個負載范圍內(nèi)，都能優(yōu)化效率。

針對高功率LLC拓樸，它是150W到1kW范圍內(nèi)電源供應(yīng)的理想選擇，可達到約95%的效率，優(yōu)于ACF、全橋等架構(gòu)，且功率密度最高。適用于各種廣泛應(yīng)用，包括電源供應(yīng)、照明、醫(yī)療設(shè)備、PC／筆記本電腦、工廠自動化等。

LLC是一種諧振轉(zhuǎn)換器，由兩個電感元件（LL）和一個電容（C）元件組成，形成諧振回路，可用于半橋（兩個開關(guān)）或全橋（4 個開關(guān)）配置。此外，諧振操作可實現(xiàn)零電壓開關(guān) （ZVS）。

與另一種LCC拓樸相比，由于RMS輸入電流較低，因此LLC拓樸在有限的輸入/輸出電壓范圍內(nèi)效率最高，用于電視、適配器、DIN導(dǎo)軌等。若把LCC拓撲用在更寬的VIN/VOUT范圍內(nèi)，但因RMS電流較高，因此整體效率會較低。電池充電器和照明應(yīng)用可能較適合這種拓樸。最后，John Cummings說明具低待機功率的UCC25640x LLC諧振控制器，以及相關(guān)的設(shè)計資源。

USB-PD EPR 規(guī)格和系統(tǒng)級設(shè)計考量

TI應(yīng)用工程師Alan Manlick詳細說明新的USB-PD 3.1規(guī)格。USB Type-C標準的擬定是為了解決各種不同連接器的紛亂情況，并實現(xiàn)以單一連接埠達到功率、數(shù)據(jù)與視訊傳輸?shù)墓δ?。它能夠支持達240W的功率，以及40Gbps的數(shù)據(jù)率和8K視訊。USB Type-C在各國政府規(guī)范、統(tǒng)一的連接標準等趨勢的推動下，已獲得廣泛采用。

但在實際應(yīng)用中，須注意并不是所有USB Type-C埠都是相同的，可分為傳統(tǒng)的標準Type-C以及Type-C PD兩種。其中，并不是所有的Type-C埠都支持PD功能，但Type-C PD埠都是Type-C埠。USB Type-C連接器設(shè)計的另一個特點是，它是可逆的，這表示無需擔(dān)心連接方向，都能正確連接。

至于什麼時候需要采用USB Type-C PD控制器？首先，如果您的設(shè)計需要大于5V的電壓，就需要采用。此外，若要求視訊功能，Type-C PD可做為DisplayPort和Thunderbolt等視訊界面的替代方案。Type-C PD的另一個優(yōu)點是，它的功率與數(shù)據(jù)角色是可以互換的(來源／UFP)。以擴充基座為例，它可為筆記本電腦充電，但也可作為接收視訊的數(shù)據(jù)UFP。只要設(shè)計涉及以上任何一種情況，就需要Type-C PD控制器，若非如此，則使用標準的Type-C控制器即可。

標準電源范圍（SPR）可支持5到20V，新的EPR可支持15V-48V。USB PD 3.0，可配置至20V，最高電流5A，功率至100W。新的EPR USB PD 3.1可配置至48V，最高電流5A，功率至240W，擴展了它的應(yīng)用范圍，筆記本電腦快充、電動單車、游戲機等。最后，他介紹了EPR應(yīng)用的電路圖，包括EPR保護電路、PC／NB、基座／監(jiān)視器、移動電源充電器等，以及相關(guān)設(shè)計資源。