浅谈电源供应器在主动钳位(Active-Clamp)与半桥共振(LLC)的线路设计参考专栏III:大电容(Bulk cap)设计应用上的比较

2020-07-24

交换式电源供应器都有大电容(Bulk cap)的设置,大电容除了滤波主动功因校正器的涟波电流用途,也提供电源维持时间(Hold-up time)的能量需求。本文将针对电源维持时间(Hold-up time)与涟波电流两项重要参数做设计探讨。

 

一,电源维持时间(Hold-up time),它跟电源架构的可容许工作电压有关, 例如在相同的电容值条件下,主动钳位(Active-clamp)的维持时间(Hold-up time)会比半桥共振(LLC)长很多,因為它们的可容许工作电压分别為385V~200V(Active-clamp)与385V~310V(LLC)造成的结果。接下来估算,当电源维持时间(Hold-up time)相等时,两者之间大电容的容值会差多少呢?

 

计算如下:

电容能量公式: J=C*(Vp2-Vv2)*T,能量单位焦耳J、电容量单位法拉C、大电容的正常电压Vp、大电容的维持最低电压Vv、电源维持时间(Hold-up time) T。

依电容能量公式分别填入参数然后两者取等号可求得Cacf : Cllc的比值。

Cacf *(3582-2002)*T= Cllc*(3582-3102)*T, 得到比值為Cacf =0.45Cllc #

 

由上述计算得知主动钳位(Active-clamp)的容值仅半桥共振(LLC)的0.45倍。换言之一颗电容可抵两颗用,依然保有一样的电源维持时间(Hold-up time)。

 

二,涟波电流,大电容的涟波电流是主动功因校正器之中升压电感的电流和负载电流(如DC to DC的主开关电流)的集和的结果。有一习知技术是透过前后缘同步(Leading edge-trailing edge)方法,使升压电感的电流刚好经过主开关(DC to DC)的责任週期,进而降低大电容的涟波电流。但是此方法仅适用於定频的控制器,例如主动钳位(Active-clamp)的控制器就可以使用,而半桥共振(LLC)的变频控制器则不能实现。因為大电容的涟波电流没办法用简单数学式完全呈现,所以採用模拟程式Simetrix,建立两组分别含有主动功因校正器的主动钳位(Active-clamp)架构与半桥共振(LLC)架构。然后在115Vac,400W的条件下进行模拟,并截取L2升压电感电流、L3共振电感电流、S11主开关电流,C2大电容电流和量C2的有效值电流。图一為半桥共振(LLC)的模拟线路、波型图及C2=2.23A,因為没有同步的关係所以C2电流波型显得比较乱(又上蓝色部分)。另外图二為主动钳位(Active-clamp)的模拟线路、波型图及C2=1.463A,因為有同步的关係所以C2电流波型比较整齐(又上蓝色部分)。由模拟结果获得大电容的电流值分别為2.23A比1.463A约1.52倍,主动钳位(Active-clamp)比较好一些。但是从大电容耗损方面看,P=I2*ESR所以差值应该是1.522=2.31倍才正确。

 

总结上述计算和模拟结果,主动钳位(Active-clamp)架构下,虽然大电容仅採用一颗也可比半桥共振(LLC)用两颗较优。究电源维持时间Cacf =0.45Cllc,将0.45*2=0.9小於1还是较主动钳位差,而大电容耗损P=2.31*0.5(两颗并联)=1.16也是有较高消耗。

 

图一,半桥共振(LLC) ,左下為模拟线路图、又上為波型全域图和RMS=2.23A、又下為区域放大图

图二,主动钳位(Active Clamp) ,左下為模拟线路图、又上為波型全域图和RMS=1.463A、又下為区域放大图

全汉企业的电源供应器产品齐全,主动钳位(Active-clamp)与半桥共振(LLC)的线路设计被广泛使用在我们的产品范畴里,以客观的评论分享大电容设计考量。

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