淺談電源供應器在主動鉗位(Active-Clamp)與半橋共振(LLC)的線路設計參考專欄III:大電容(Bulk cap)設計應用上的比較

2020-07-24

交換式電源供應器都有大電容(Bulk cap)的設置,大電容除了濾波主動功因校正器的漣波電流用途,也提供電源維持時間(Hold-up time)的能量需求。本文將針對電源維持時間(Hold-up time)與漣波電流兩項重要參數做設計探討。

 

一,電源維持時間(Hold-up time),它跟電源架構的可容許工作電壓有關, 例如在相同的電容值條件下,主動鉗位(Active-clamp)的維持時間(Hold-up time)會比半橋共振(LLC)長很多,因為它們的可容許工作電壓分別為385V~200V(Active-clamp)與385V~310V(LLC)造成的結果。接下來估算,當電源維持時間(Hold-up time)相等時,兩者之間大電容的容值會差多少呢?

 

計算如下:

電容能量公式: J=C*(Vp2-Vv2)*T,能量單位焦耳J、電容量單位法拉C、大電容的正常電壓Vp、大電容的維持最低電壓Vv、電源維持時間(Hold-up time) T。

依電容能量公式分別填入參數然後兩者取等號可求得Cacf : Cllc的比值。

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

 

由上述計算得知主動鉗位(Active-clamp)的容值僅半橋共振(LLC)的0.45倍。換言之一顆電容可抵兩顆用,依然保有一樣的電源維持時間(Hold-up time)。

 

二,漣波電流,大電容的漣波電流是主動功因校正器之中升壓電感的電流和負載電流(如DC to DC的主開關電流)的集和的結果。有一習知技術是透過前後緣同步(Leading edge-trailing edge)方法,使升壓電感的電流剛好經過主開關(DC to DC)的責任週期,進而降低大電容的漣波電流。但是此方法僅適用於定頻的控制器,例如主動鉗位(Active-clamp)的控制器就可以使用,而半橋共振(LLC)的變頻控制器則不能實現。因為大電容的漣波電流沒辦法用簡單數學式完全呈現,所以採用模擬程式Simetrix,建立兩組分別含有主動功因校正器的主動鉗位(Active-clamp)架構與半橋共振(LLC)架構。然後在115Vac,400W的條件下進行模擬,並截取L2升壓電感電流、L3共振電感電流、S11主開關電流,C2大電容電流和量C2的有效值電流。圖一為半橋共振(LLC)的模擬線路、波型圖及C2=2.23A,因為沒有同步的關係所以C2電流波型顯得比較亂(又上藍色部分)。另外圖二為主動鉗位(Active-clamp)的模擬線路、波型圖及C2=1.463A,因為有同步的關係所以C2電流波型比較整齊(又上藍色部分)。由模擬結果獲得大電容的電流值分別為2.23A比1.463A約1.52倍,主動鉗位(Active-clamp)比較好一些。但是從大電容耗損方面看,P=I2*ESR所以差值應該是1.522=2.31倍才正確。

 

總結上述計算和模擬結果,主動鉗位(Active-clamp)架構下,雖然大電容僅採用一顆也可比半橋共振(LLC)用兩顆較優。究電源維持時間Cacf =0.45Cllc,將0.45*2=0.9小於1還是較主動鉗位差,而大電容耗損P=2.31*0.5(兩顆並聯)=1.16也是有較高消耗。

 

圖一,半橋共振(LLC) ,左下為模擬線路圖、又上為波型全域圖和RMS=2.23A、又下為區域放大圖

圖二,主動鉗位(Active Clamp) ,左下為模擬線路圖、又上為波型全域圖和RMS=1.463A、又下為區域放大圖

全漢企業的電源供應器產品齊全,主動鉗位(Active-clamp)與半橋共振(LLC)的線路設計被廣泛使用在我們的產品範疇裏,以客觀的評論分享大電容設計考量。

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