TI 電源應用研討會 揭密高效節能新未來
- 李佳玲／台北
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為滿足電子產品對於更高功率供應、更快充電速度、更節能，以及更小型、輕量化的充電器等各種需求，近來電源設計技術持續演進與發展，除了導入新的GaN功率元件之外，既有已廣泛應用的USB標準，也已制定了新的EPR（擴充電源範圍）規範，最高可支援240W的功率輸出能力。
此外，針對各類倚賴電池供電的產品來說，如何強化電池管理系統設計，延長電池續航力，也是日益重要的議題。這些新興的電源設計技術在帶來應用商機的同時，也帶來了新的設計挑戰。為了協助工程師掌握最新的技術趨勢，德州儀器（TI）日前特地舉辦了電源技術研討會，探索了包括先進GaN電源設計、高效電源轉換、以及擴充電源範圍（EPR）技術等議題，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計
TI系統工程師YangLin Chen首先介紹100W以下USB Type-C充電器的拓樸架構。目前筆電或智慧型手機的充電器設計常採用準諧振反馳式（quasi-resonant flyback）拓樸架構。此架構雖具備設計簡易、元件數量較低的優點，但卻有效率較低，且會由於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。其優點是，透過零電壓開關（ZVS）設計，可達到大於92%的較高效率，並實現更高的功率密度（>20W/cub inch）。然而，此架構的缺點是，需要較多的元件，且設計複雜度較高。ACF設計的複雜度，主要是因為所有的參數（包括寄生參數）都會影響系統效能，而且部分參數還會彼此交互影響，例如匝數比會影響負載比和電流峰值。由於複雜度高，若採用開環式控制模擬，結果會不準確，但若用閉環式控制模擬，又太過耗時。
為克服此問題，TI提供了通過驗證的ACF設計工具，它是以Excel為基礎的計算工具，不僅快速且準確，還能與載入其他的模擬器或運算工具，進行更詳細的計算。針對採用ACF架構的高功率密度充電器，TI提供一款半橋式GaN元件LMG2610，可簡化其設計。它整合了電位移轉器和高側自舉式電路，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，可節省70%的元件數量。
最後，YangLin Chen介紹了65WUSB Type-C充電器範例，可達到>93.1%的電源效率，且透過利用半橋式GaN以及ACF架構，可大幅提升功率密度達>1.22W/cc。
電源供應濾波器IC及獨立式主動EMI濾波器（AEF）IC
TI系統應用工程經理Red Yen表示，電源管理設計面臨了多項挑戰，包括EMI、功率密度、低Iq、低雜訊、以及隔離等。AEF新技術主要是為了解決EMI和功率密度問題所開發的。
在電源供應系統中，因為採用大型被動濾波器，使得減少電磁干擾 （EMI） 變得更具挑戰性。在TI的電源供應濾波器IC產品組合中，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AC-DC和DC-DC系統中的共模（CM）和差模（DM）EMI挑戰。AEF IC 可感測共模 EMI電壓干擾，並將抵消雜訊電流回注到電源線，有效放大濾波器電容，以利於使用更小的扼流器。
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，並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，如此即可減少產生的熱量，並提高系統可靠性。
TI的TPSF12C1/3/-Q1可降低共模放射，以符合AC/DC系統中嚴格的EMI標準。Red Yen說明了AEF IC的幾個實際應用，包括汽車的車載充電器（OBC）、伺服器電源供應器，以及相關的設計資源。
圖騰柱無橋PFC中的控制挑戰
TI系統工程師LiehChung Yin比較了傳統PFC與圖騰柱無橋PFC的差異。首先，傳統 PFC 中的二極體電橋會導致顯著的功率損耗，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 （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）會出現電流突波（spikes）。此現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零交叉偵測、電流感測，以及如何控制雙向電流等。最後總結說，與其他PFC拓樸相比，圖騰柱無橋PFC可提供最佳效率，但同時也帶來了設計上的挑戰。這些挑戰可以透過TI C2000 或 UCD3138 等數位電源控制器來解決。
此外，LiehChung Yin亦在「電源供應設計中常見錯誤」場次中，討論了許多常見設計問題與原因。他解析的設計應用包括，非隔離式DC-DC轉換器、AC-DC返馳轉換器、電源供應布局、以及利用寬能隙元件（GaN和SiC FET）的電源供應等。
使用電量計 IC 延長電池壽命
TI應用工程師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、智慧充電、即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，以預估電池儲存電量、阻抗以及剩餘電量，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，是準確預測電量的關鍵。
TI專利的Impedance Track演算法可實現 95% 高精度電池容量測量，透過充電電壓測量、溫度、電池特性，判斷電池充電狀態與容量。透過硬體開發的新創新與Impedance Track 演算法結合，使TI的產品能夠在不同條件下進行高精度測量。此外，支援智慧充電的Maxlife演算法，可有效延長電池壽命。它的優點是，無需完全放電來解決容量衰減問題，以及連續電池平衡，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力。
隨著電池成為許多應用中的主要儲能和電源，電池的有效使用、其運行時間、效能和壽命是系統的關鍵方面。透過硬體開發的新創新與Impedance Track演算法結合，使TI的產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範圍內，都能優化效率。
針對高功率LLC拓樸，它是150W到1kW範圍內電源供應的理想選擇，可達到約95%的效率，優於ACF、全橋等架構，且功率密度最高。適用於各種廣泛應用，包括電源供應、照明、醫療設備、PC／筆電、工廠自動化等。
LLC是一種諧振轉換器，由兩個電感元件（LL）和一個電容（C）元件組成，形成諧振迴路，可用於半橋（兩個開關）或全橋（4 個開關）配置。此外，諧振操作可實現零電壓開關 （ZVS）。
與另一種LCC拓樸相比，由於RMS輸入電流較低，因此LLC拓樸在有限的輸入/輸出電壓範圍內效率最高，用於電視、適配器、DIN導軌等。若把LCC拓撲用在更寬的VIN/VOUT範圍內，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用可能較適合這種拓樸。最後，John Cummings說明具低待機功率的UCC25640x LLC諧振控制器，以及相關的設計資源。
USB-PD EPR 規格和系統級設計考量
TI應用工程師Alan Manlick詳細說明新的USB-PD 3.1規格。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，並實現以單一連接埠達到功率、數據與視訊傳輸的功能。它能夠支援達240W的功率，以及40Gbps的數據率和8K視訊。USB Type-C在各國政府規範、統一的連接標準等趨勢的推動下，已獲得廣泛採用。
但在實際應用中，須注意並不是所有USB Type-C埠都是相同的，可分為傳統的標準Type-C以及Type-C PD兩種。其中，並不是所有的Type-C埠都支援PD功能，但Type-C PD埠都是Type-C埠。USB Type-C連接器設計的另一個特點是，它是可逆的，這表示無需擔心連接方向，都能正確連接。
至於什麼時候需要採用USB Type-C PD控制器？首先，如果您的設計需要大於5V的電壓，就需要採用。此外，若要求視訊功能，Type-C PD可做為DisplayPort和Thunderbolt等視訊介面的替代方案。Type-C PD的另一個優點是，它的功率與數據角色是可以互換的(來源／UFP)。以擴充基座為例，它可為筆電充電，但也可作為接收視訊的數據UFP。只要設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。
標準電源範圍（SPR）可支援5到20V，新的EPR可支援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，擴展了它的應用範圍，筆電快充、電動單車、遊戲機等。最後，他介紹了EPR應用的電路圖，包括EPR保護電路、PC／NB、基座／監視器、行動電源充電器等，以及相關設計資源。
EPR）技術等議題，吸引近四百位產業界先進蒞臨參加，助力客戶開發出更節能、更高效的新產品。TI
